【波束成形】基于动态超表面天线进行频率选择性波束成形和单次波束训练附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在现代无线通信领域，对高效、灵活且智能的天线技术需求日益增长。动态超表面天线凭借其独特的电磁特性调控能力，正逐渐成为实现先进波束成形技术的关键载体。频率选择性波束成形能够在不同频率下精准地控制波束方向和形状，以适应复杂多变的通信环境；而单次波束训练则致力于以最少的测量次数快速确定最优波束，提升通信系统的响应速度和效率。本文将深入探讨基于动态超表面天线的频率选择性波束成形机制以及单次波束训练方法，为相关领域的技术发展提供理论与实践指导。

动态超表面天线：开启电磁调控新时代

超表面天线的基本原理

超表面是一种由亚波长单元构成的二维人工结构，通过精心设计这些单元的几何形状、尺寸、排列方式以及材料特性，可以对电磁波的幅度、相位、极化等参数进行灵活调控。当将超表面应用于天线设计时，其能够改变天线辐射的电磁波特性，突破传统天线的性能限制。例如，传统天线的波束方向和形状往往在设计阶段就已固定，而超表面天线可通过调整单元参数实现波束的动态扫描和赋形。

动态特性的实现

动态超表面天线进一步引入了可重构的概念，通过集成变容二极管、PIN 二极管、微机电系统（MEMS）等有源器件，或者利用光控、热控等外部激励方式，能够实时改变超表面单元的等效电磁参数。以变容二极管为例，通过改变其偏置电压，可以调节电容值，进而改变单元对电磁波的响应特性，实现超表面电磁特性的动态调整，为频率选择性波束成形奠定了硬件基础。

频率选择性波束成形：精准适配不同频率需求

原理剖析

频率选择性波束成形的核心在于使天线在不同频率下产生不同指向或特性的波束。对于动态超表面天线而言，这是通过对不同频率的电磁波在超表面上施加特定的相位和幅度调制来实现的。由于不同频率的电磁波在超表面单元上的传播特性存在差异，通过设计合适的单元响应，能够让不同频率的波束指向不同方向或具有不同的聚焦特性。例如，在一个多频通信系统中，希望在低频段将波束指向远处的基站以保证长距离通信，而在高频段将波束集中在周边区域以实现高速率的短距离通信，动态超表面天线就可以通过频率选择性波束成形满足这样的需求。

设计方法与关键参数

在设计频率选择性波束成形时，需要考虑多个关键参数。首先是超表面单元的频率响应特性，包括单元的谐振频率、带宽以及在不同频率下的相位和幅度调节范围。其次是超表面的拓扑结构，例如单元的排列方式（周期性或非周期性）、阵列规模等，这些因素会影响波束的扫描范围、分辨率以及旁瓣电平。通过电磁仿真软件，如 CST、HFSS 等，可以对不同的设计方案进行建模和优化，确定满足频率选择性波束成形要求的超表面参数。

单次波束训练：快速锁定最优波束

传统波束训练的挑战

在传统的波束赋形系统中，通常需要进行多次波束扫描和测量，以确定在特定环境下的最优波束方向。这一过程需要消耗大量的时间和系统资源，尤其是在时变信道环境中，频繁的波束训练可能导致通信中断或效率低下。例如，在 5G 毫米波通信中，由于信号传播易受遮挡和干扰，传统波束训练方法难以快速适应环境变化。

基于动态超表面天线的单次波束训练策略

动态超表面天线为单次波束训练提供了新的解决方案。一种常见的策略是利用超表面的快速可重构特性，通过设计特定的训练序列，在一次测量中获取多个方向的波束信息。例如，可以设计一组超表面配置，使得在一个短时间窗口内，天线依次发射具有不同波束指向的信号，同时接收端对这些信号进行联合测量和分析。通过巧妙设计超表面的状态切换模式和接收端的信号处理算法，能够从一次测量结果中推断出最优波束方向，极大地缩短了波束训练时间，提高了通信系统的实时性和效率。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%% Universal constants

c=3*10^8;

f_c=15*10^9;

lambda_c=c/f_c;

F= (lambda_c/3)^3; %% Coupling factor

Gamma=(2*pi*f_c)/50; %% Damping factor

B=6*10^9;

f_max= f_c+B/2;

f_min= f_c-B/2;

K=64; %% Number of subcarriers

include_attenuation=1;

atten_coeff=6;

example_no=0;

🔗 参考文献

[1]陈光毅,张若愚,任红,等.基于全息超表面天线的雷达通信一体化波束成形设计[J].雷达学报, 2025, 14(4):961-973.DOI:10.12000/JR24246.

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