从可重构智能表面到毫米波波束赋形 留言

Geoffroy Lerosey, Greenerwave

由Mathias Fink教授和我共同创立的新公司Greenerwave最初于2016年从我们的实验室朗文研究所分离出来，根据我们对如今被称为可重构智能表面（RIS）概念的研究结果开发和销售产品。然而，当时这个概念还太早。它没有市场或商业模式，面对技术障碍，不得不转向。这导致了开发一个独特的波束赋形应用，它是节能和灵活的，并有重要的应用，特别是在毫米波。

时间翻转和波束控制

波束控制是Greenerwave的DNA。Fink教授致力于研究超声波成像的新型波束赋形方法。在1990年代，他提出了时间翻转的概念。基于波方程的时间翻转不变性，它包括记录一个源和一组接收器之间在复杂介质中传播后的脉冲响应，将它们在时间上翻转并发送回来。¹ 结果是，波在空间和时间上都集中在源的位置，集中在一个点上，其质量与实验的一些关键参数直接相关：用于时间翻转的通道数量、带宽和传播介质的复杂性。

一般来说，由于互为因果关系，操作是以另一种方式实现的：一个可编程的源阵列，被称为时间翻转镜，扮演着一个可以聚焦于多个接收器的源的角色。时间翻转在超声学中被证明是一种强大的方法，可以利用多散射介质的复杂性，使波聚焦在比在均匀介质中获得的更清晰的点上。^1,2 后来，时间翻转被证明允许在复杂介质中的同一频率范围内对多个接收器进行空间多路复用，并随后被提议作为无线通信的有效解决方案——这是超声mMIMO的早期演示（见图1a）。³

图1 时间翻转镜在通过多种散射介质传播后，可以对多个用户进行空间复用，而通过水则不能（a）。用空间光调制器进行波前整形，即使在通过厚厚的油漆层传播后也能聚焦光线；不是复合光源，而是数百万个反射中的次级光源（b）。

2004–2006年期间，在与Fink一起获得博士学位时，我将最初为超声波开发的想法移植到微波上。在GHz频率下对波进行记录和数字化要比在MHz频率下明显更难。因此，我们引入了基带时间翻转的想法，在基带上记录和翻转源和接收器之间的脉冲响应。^4-6 这加上携带频率的相位共轭，就形成了一个时间翻转操作，可以在真实的信号上实现，而不需要离谱的电子设备。使用这种方法，在复杂介质中传播的微波信号的时间翻转是可行的，可以成为无线通信的一个可行的解决方案，特别是在相对宽的带宽。⁷

我们最终成立了一家公司——时间翻转通信公司，旨在将这些概念变成商业上可行的产品。然而，事实证明这很复杂。此时，复杂环境中的衰减和多径已经通过OFDM找到了强大的解决方案，几乎所有的无线通信系统都从时域转向了频域。采用我们的技术的另一个障碍是它的复杂性，导致昂贵和耗电的系统。一个基站需要许多通道，每个通道都有功率放大器、低噪声放大器和数据转换器。我们意识到，虽然控制电波是无线通信的“必需品”，但与超声波成像不同，成本和效率更为重要。

从主动到被动的波束控制

我们在光学领域工作时开发了一个解决方案。来自荷兰的同事们对时间翻转在超声波和微波中的应用非常着迷，正在努力将这一概念移植到光上。在这个领域，建立一个能够获取和产生时间变化信号的大型收发器阵列是不可能的。所以他们改变了模式，意识到虽然缺乏复杂和强大的光源，但他们确实有强大的动态可重构的光反射器，用于自适应光学和天文学。他们使用空间光调制器（SLM），即由数百万个单元组成的阵列，可以控制入射光波前的相位和/或振幅，以控制光在复杂介质中的传播。他们证明了可以通过在激光和油漆层之间插入SLM并对入射光的波前整形来聚焦一束红色激光，从而引入了波前整形的概念（见图1b）。⁸ 他们的工作和我们所做的演示^9-12，在光学领域开辟了一个新的研究领域，目前仍很活跃。对Fink和我来说，这是一场革命：为什么要设计非常复杂的光源阵列来控制波，而一个简单的可重构的反射器就可以做到？

可重构智能表面

2012年8月底，我们开始思考如何在不增加基站或手机复杂性的情况下改善无线通信。受到我们在光学领域工作的启发，我们提出了让传播环境变得“电磁智能”的想法，并利用它来提高无线传输的能源效率。我们只需要设计一个具有动态可重构电磁特性的表面，并像在光学领域一样，将其作为空间微波调制器，随意整形入射电磁波。我们可以使任何室内或室外环境变得“智能”，用这些表面覆盖它，并动态地利用其反射。

利用我们在波物理学和波控制方面的知识，我们决定采用最简单的可调节表面：一个二元相位可调节表面。光学方面的实验告诉我们，粗略的控制会产生轻松的硬件和更快的优化算法。同样地，利用我们的超材料背景，我们设计了一个非常简单的单元。它由一个主贴片谐振器和一个寄生带状谐振器强耦合组成，其谐振频率由一个PIN二极管控制。通过极化二极管，我们可以以极低的功耗实时改变单元的相位反射从0到π。我们使用自己的设备制造了该单元并对其进行了表征，得到了令人满意的结果：在Wi-Fi频率下，其两种状态之间有π的相位变化，两种状态下的功耗相似。¹³

我们在一块自制的印刷电路板上组装了102个单元，并使用两个Arduino控制器控制这些单元。据我们所知，这是第一个RIS演示，尽管这个术语是多年后由无线通信界创造的。我们的想法是展示我们可以在一个简单的源——接地面上的单极——发射后，整形房间内传播的电磁波，以最大限度地提高远程和非视线天线接收的电磁能量，模仿可调节的表面增强无线传输。为此，我们简单地使用了光学中使用的相同的迭代算法，在逐一测试每个单元的最佳状态时，迭代地最大化接收的能量（见图2）。结果是惊人的：使用这个相对较小的0.4m²表面，在一个典型的办公室房间里，我们设法将天线接收的能量提高了约10dB，而消耗的能量只有一毫瓦。¹⁴ 看一下优化前后的接收信号的频谱，我们清楚地看到，在由房间的相干频率定义的频率范围内，增益增加了10dB。用电光探针扫描场，以避免测量的扰动，我们可以证明由房间反射的场已经集中在接收天线上。

图2 2012年朗文研究所开发的第一个可重构智能表面，将接收信号提高了近10dB。

GREENERWAVE的诞生和几乎死亡

在申请了一项专利并发表了一篇论文后，我们开始展示在朗文研究所实验室的研究结果，内部研究人员和外部访问者都感兴趣。通过限制测试设备的测量时间，我们几乎可以实时优化两根天线之间的传输，并现场绘图。我们在2016年初成立了Greenerwave公司，旨在基于这些想法实现产品的商业化。在筹集了50万欧元后，我们聘请了一位首席执行官来运营公司，而我们则留在学术界并作为顾问提供支持。

公司首先努力实现具有大众市场潜力的工业兼容的RIS。电磁设计和基于物理学的控制算法由朗文研究所的学者负责，而硬件（布局和控制器）和嵌入式软件则由初创公司负责设计。对各种设计的探索和与许多供应商的接触，验证了该技术具有大规模市场的潜力。问题来自于RIS的控制部分：在使用它们的设备上优化无线连接的算法需要量化链接质量的反馈，这可以从网络或设备上获得。从4G的智能动态电磁表面开始，我们很快意识到，用来自蜂窝基站的信号来证明任何事情都是很难的：在与设备的会话中，网络可以修改许多参数（例如频率、增益）。如果没有网络运营商和基础设施供应商的参与，任何优化都是低效的。

所以我们决定转向Wi-Fi并使用设备反馈，在2.45和5GHz设计RIS。我们的策略是只使用设备的操作系统提供的数据作为反馈，尽快开发出接近产品的东西。接收信号强度指示（RSSI）是唯一容易获得的参数。然而，优化接入点和笔记本电脑之间的Wi-Fi连接并不容易，因为首先必须禁用接入点的所有自动功能，如自动增益控制和MIMO。就像在我们的4G试验中一样，自动功能会以异步和不受控制的方式与RIS发生作用。这样做，我们就能在实验室里显示出很好的RSSI优化和随后的数据率提高（见图3），这几乎使我们相信，令人信服的演示器件呼之欲出了。

图3 Greenerwave为Wi-Fi开发了RIS，以优化从接入点到笔记本电脑的数据传输，早在2016年就显示出7倍的改进。

使用RSSI，证明该演示器在许多情况下是不稳定的，在一些情况下是无用的。熟悉这类系统的人知道，无线链路质量的唯一良好估计是深入到芯片组内部，并通过专有和独特的算法获得。传递给操作系统的RSSI是非常嘈杂和不稳定的，特别是当众多Wi-Fi网络并存时。这就解释了为什么该方法会失败。我们要求大型芯片组制造商进入芯片组的深层，但我们的电子邮件没有得到答复。遗憾的是，用于基础设施和网络的RIS没有市场，也没有商业模式，而且由于技术上的障碍，消费者设备——例如笔记本电脑的盖子——不会进入市场。Greenerwave没有令人信服的演示器件，无法筹集更多的资金，而且即将破产。

颠覆性的毫米波波束赋形技术

作为技术的发明者和创始人，我决定离开学术界以挽救公司。除了寻找现金，最紧迫的事情是为我们的核心技术找到其他应用：用基于物理学的算法控制电子可重构表面。在学术界，我们曾研究过用可调节的超表面做的可重构空腔的特性。我们使用具有可控电磁特性的表面作为腔体的可重构边界条件。^15–17 出现了几个想法，并与新的合作伙伴Timothée Laurent进行了研究，他带来了在Kearney公司担任战略顾问的10年经验。其中一个有意义的想法是使空腔泄漏，并将其用作5G或卫星通信的电子可转向天线。

可转向天线的工作原理如下：使用一个基本的源在腔内注入波，可调节的超表面在腔内整形产生的波场，场通过腔内的开口漏出，在选定的方向形成一个波束。Jean-Baptiste Gros利用为Wi-Fi RIS设计的5GHz可调节表面迅速组装了一个概念验证装置，把它放在一个带有简单单极的金属化MacBook盒子里。结果令人印象深刻：使用一堆Si PIN二极管和一个非常简单的印刷电路板，我们实现了一个可电子转向的天线，可以像传统的有源相控阵一样平坦（见图4）。法国国防部提供了资金，以应用这一概念来演示30GHz左右的波束赋形器。

图4 使用为Wi-Fi开发的5GHz RIS（左）和2年后30GHz的同类版本（右）的电子可转向天线的概念验证。

从GHz到毫米波并不容易，但我们在2019年底有了第一个可调节的27至31GHz电磁面（见图5），它使用了简单的二元相移设计，具有双极化控制。我们在2020年初组装了第一个天线，一个10×10×2.5厘米的原型，在它的一个角上有一个单极的馈电（见图4的右侧照片）。为了实现腔体的泄漏部分，我们使用了一个半透明的射频镜，由基底上的铜网制成，我们对其进行了空间调整，使其在中心的透射率高于边界，这是为了使波束锥化。

图5 Greenerwave为电子可转向天线开发的第一个毫米波RIS。

我们在测试之后才意识到该技术的独特潜力。首先，尽管天线尺寸小，可调节表面的二进制相位控制非常粗糙，但我们可以在任何方向形成波束，其指向性仅比理论极限低几dB。第二，该天线可以支持仅受可调节表面限制的带宽，即超过4GHz。我们测量了从300MHz到2GHz的瞬时带宽，可以用软件控制（见图6a）。第三，天线的扫描范围是±70度，扫描损耗由余弦律定义，可控制任何极化及其纯度（见图6b）。这一独特的特性来自于天线的结构：在腔体内部产生的整个场通过漏罩的非常小的孔辐射到远场，优于受其单个辐射器的辐射模式限制的相控阵。第四，该天线可以在单一频率、不同频率，甚至在正交极化上发射多个波束（见图6c）。一个稍加修改的天线表明，通过从四个馈电点以相同的频率发送四个波束，混合波束赋形是可能的，而且串扰最小。最后，波束赋形被证明即使减少腔内二极管的数量也很鲁棒，在25%或50%的单元不活动的情况下，旁瓣仍然得到很好的控制（见图6d）。

图6 电子可转向天线的性能：可调整的瞬时带宽（a），扫描角度和损耗（b），多波束性能（c）和对单元损耗的弹性（d）。

毫米波原型使我们相信该技术的优势：一个扁平的电子可转向天线，其硬件几乎与无源相控阵一样简单，功耗非常低，效率高。波束切换与有源相控阵一样快，并具有独特的功能，如多波束、多极化和多波段，全部由软件控制。该天线可顺应任何形状，与任何前端设计兼容，并且不受协议/标准影响，因为它是基于波束控制的。

卫星通信和汽车应用

我们将天线放大到30×30×2.5厘米，并设计了一个更均匀的馈电，由腔体周边的漏波导组成。新的结构需要几次迭代，在2021年中期完成，覆盖27至31GHz，消耗约30W，具有与第一个原型相同的特性（见图7）。它与法国国防部地球同步轨道卫星Athena-Fidus建立了数据链，促使法国国防部和法国空间中心资助Ka波段天线的进一步开发。Greenerwave正在资助Ku波段版本的开发，该版本计划在2023年底前实现商业化。由于硬件的简单性，该天线解决了每个巨型星座运营商面临的一个重要问题：地面终端的价格问题。

图7 Ka波段发射天线原型，它与Athena-Fidus地球同步轨道卫星建立了联系。

我们的第一个5GHz验证概念的可转向天线也让法国的一家汽车供应商Plastic Omnium感兴趣。其首席创新官看到了简单的波束赋形技术在大众汽车市场应用的潜力，将传统的77GHz雷达变成了高分辨率的4D成像雷达。嵌入Plastic Omnium公司的大型车体面板，一个建立在Greenerwave在超声波和光学成像方面经验的天线，¹⁸，可以改变汽车市场的游戏规则。一个简单的概念验证装置在7GHz使用我们的波束赋形技术与时间复用和自制的算法，将一个1Tx/1Rx雷达芯片组变成了一个成像设备。这个原型的性能带来了一个更雄心勃勃的项目，即在77GHz的汽车雷达频段上复制该技术，将一个现成的3Tx/4Rx雷达芯片组转变为一个4D成像雷达。77GHz原型的成功导致了我们目前的工作：在一个保险杠中集成几个具有独特成像算法的波束赋形器（见图8），旨在将一个传统的雷达芯片组转变为一个高效益、低功耗、多模式的4D成像雷达。

图8 77GHz的可调节电磁表面（上）和作为波束赋形雷达的一部分集成在保险杠中（下）。

未来

自从Greenerwave为RIS的商业化而创建以来，该技术在无线通信方面的应用越来越多，ETSI和3GPP也开始进行标准化。^19–22 我们的Ka波段电子可转向天线是基于泄漏腔内的RIS，所以导致可转向天线的研发与毫米波5G的RIS开发是一致的。我们通过与日本公司AGC合作，从2019年开始将该技术应用于5G（见图9），在各种实验中进行了展示。^23,24 AGC和NTT Docomo在2021年底将我们的RIS作为5G毫米波网络的无源接入点扩展器。如果RIS市场起飞，我们已经准备好了。²⁵

图9 用于5G的毫米波RIS，作为无源接入点扩展器展示，并由NTT Docomo在一个5G基站上进行测试。

参考文献

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原文始发于微信公众号（actMWJC）：从可重构智能表面到毫米波波束赋形（原载于《微波杂志》22年5/6月号）