Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тярин Андрей Сергеевич

• Тярин Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Тярин Андрей Сергеевич

Введение

Глава 1. Принципы работы и построения РИП

1.1. Общая структура РИП

1.2. Принципы аномального отражения РИП

1.3. Возможности РИП по изменению ЭМ волны

1.4. Особенности выбора значений сдвига фаз

1.5. Структура ЭЯ и типы управляющих элементов

1.6. Моделирование и расчет основных параметров однобитной ЭЯ

1.7. Обзор литературы и постановка задач диссертации

1.8. Выводы к главе

Глава 2. Разработка и исследование гибридной модели ЭЯ РИП

2.1. Моделирование ЭЯ в среде моделирования CST

2.2. Описание гибридной модели ЭЯ в QuaDRiGa

2.3. Сравнение гибридной модели ЭЯ с другими моделями в QuaDRiGa

2.4. Сравнение QuaDRiGa с гибридной моделью ЭЯ и основного уравнения радиолокации

2.5. Выводы к главе

Глава 3. Исследование увеличения ширины полосы ЭЯ,

созданной с помощью 3В-печатных материалов

3.1. Выбор материалов и методов металлизации 3D-печатных радиочастотных устройств

3.2. Проектирование 3D-печатных ЭЯ и волновода

3.3. Результаты

3.4. Выводы к главе

Глава 4. Исследование и компенсация влияния защитного покрытия на основные характеристики ЭЯ РИП

4.1. Сценарий моделирования ЭЯ с защитным покрытием в CST Studio

4.2. Численные результаты для ЭЯ с рабочей частотой 2,6 ГГц

4.3. Численные результаты для ЭЯ с рабочей частотой 5,3 ГГц

4.4. Выводы к главе

Глава 5. Исследование и компенсация влияния капель дождя на

основные характеристики ЭЯ РИП

5.1. Оценка влияния дождя

5.2. Компенсация влияния дождя с помощью изменения размеров структуры ЭЯ

5.3. Численные результаты

5.4. Выводы к главе

Заключение

Список литературы

Список иллюстративного материала

Список таблиц

Приложение А. Акты о внедрении результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей»

Введение

Актуальность работы. Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (англ.: Reconfigurable Intelligent Surfaces, RISs; РИП) являются перспективным классом устройств, способных увеличить как пропускную способность, так и область покрытия беспроводных сетей. РИП представляет собой плоскую периодическую структуру, состоящую из элементарных ячеек (ЭЯ), амплитудно- и фазо-частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ) которых могут регулироваться c помощью управляющих сигналов. Это позволяет управлять отраженной от РИП электромагнитной (ЭМ) волной, например, задавать ее направление. Предполагается, что РИП будет размещаться на стенах помещений и домов, рекламных щитах, внутри туннелей, транспорта, аэропортов, вокзалов и торговых центров. Таким образом, прирост пропускной способности и увеличение области покрытия при использовании РИП может наблюдаться в сценариях как вне, так и внутри помещений.

На данный момент большинство РИП существует в форме прототипов и исследуется в основном в лабораторных условиях. При внедрении РИП в существующие и будущие системы беспроводной связи необходимо учитывать предъявляемые к ней требования, которые можно разделить на две группы: конструктивные особенности и условия использования. К конструктивным особенностям РИП относятся малоe потребление энергии, наличие плоской, легкой структуры при сохранении низких стоимости и потерь на отражение. К условиям использования можно отнести эффективную работу РИП в любую погоду при различных расположениях приемника и передатчика, в смысле мощности на приемнике, а также наличие широкой рабочей частотной полосы для внедрения в системы связи 5, 6 поколений, а также в сети Wi-Fi.

Учет большинства данных требований можно осуществить на этапе проектирования РИП. В частности, можно определить эффективность РИП при различных расположениях передатчика и приемника и учесть различные факторы, такие как погодные явления. Также на этапе проектирования можно заложить использование защитных покрытий РИП для сохранения ее плоской структуры и защиты ее от внешней среды, в частности от погодных условий. Для достижения легкой и плоской структуры при сохранении низких стоимости

и потерь при отражении для изготовления РИП могут быть использованы альтернативные методы производства, например, аддитивное, также известное как ЭО-печать.

Несмотря на разнообразие способов выполнения данных требований, современные исследования, посвященные РИП, выявляют существенные пробелы в области создания РИП. В частности, повсеместное внедрение РИП необходимо требует проведение имитационного моделирования для оценки производительности системы связи с РИП. Однако в широко используемых платформах моделирования, таких как ЗтШБ и QuaDRiGa, применяются модели ЭЯ, не учитывающие одновременно угол падения, поляризацию падающей волны и состояние ЭЯ. Это приводит к необходимости разработки такой модели, для более точного описания поведения РИП в системах связи при различных расположениях передатчика и приёмника.

В области проектирования РИП преобладают технологии изготовления печатных плат, использующие дорогостоящие диэлектрики с малыми потерями в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. С другой стороны, существует аддитивное производство (АП), материалы для которого обладают преимуществами в виде низкой стоимости и диэлектрических свойств не хуже, чем у традиционных СВЧ-диэлектриков. Несмотря на потенциальное улучшение таких характеристик, как ширина рабочей полосы и снижение потерь при более низкой себестоимости по сравнению с традиционными диэлектриками, подобные решения для РИП остаются недостаточно исследованными.

Также выявлено, что покрытия различных толщин и материалов могут существенно влиять на характеристики схожих с РИП устройств. Кроме того, потенциальное воздействие внешних условий, таких как осадки, также исследовано лишь для устройств, схожих по структуре с РИП. Однако, данные исследования не рассматривают влияние этих факторов на ФЧХ, что делает невозможным прямое применение этих результатов и подчеркивает необходимость дальнейших исследований именно для РИП. Учет данных факторов на этапе проектирования благодаря компенсации их влияния повысит эффективность работы РИП при ее использовании в реальных системах связи.

С целью устранения выявленных пробелов в исследованиях, связанных с

РИП, данная работа посвящена разработке методов проектирования и оценки основных характеристик ЭЯ РИП с учетом их конструктивных особенностей и условий использования.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиям, посвященным методам проектирования и оценки характеристик устройств, используемых в беспроводных системах связи, и смежным проблемам передачи данных в беспроводных сетях посвящено значительное количество работ, среди которых стоит выделить работы российских и зарубежных учёных: Ю.В. Андреева, Е.А. Барабановой, В.О. Бегишева, П.А. Белова,

B.М. Вишневского, К.А. Вытовтова, Ю.В. Гайдамака, С.Б. Глыбовского, А.В. Дворковича, А.С. Дмитриева, Е.В. Ефремовой, А.Н. Красилова,

H.А. Кузнецова, Л.В. Кузьмина, Е.А. Кучерявого, В.А. Ляшева, А.И. Ляхова, А.А. Мальцева, Д.Ю. Панкратова, А.Л. Приорова, К.Е. Самуйлова,

C.Н. Степанова, В.Л. Стефанюка, Д.С. Филонова, Г.А. Фокина, Е.М. Хорова,

I.F. Akyldiz, G.C. Alexandropoulos, E. Bjornson, M. Di Renzo, R. Zhang. Работы указанных авторов, посвященные методам проектирования и оценки характеристик устройств, используемых в беспроводных системах связи, в основном ориентированы на моделирование и экспериментальные исследования самих беспроводных систем, включая системы с РИП. В них утверждается, что отклонения от исходных характеристик ЭЯ, например, фазового сдвига между ее состояниями, действительно приводят к снижению эффективности РИП. При этом значения данных отклонений не привязаны к конкретным источникам, вызывающих их, а также к определённой технологии беспроводной сети. Однако для компенсации отклонений от исходных характеристик ЭЯ необходимо ответить на вопрос: какова их природа и характерные значения для конкретной технологии беспроводной связи. Для ответа на этот вопрос нельзя полагаться только на результаты теоретических исследований, поскольку они используют ряд допущений при моделировании РИП. Например, частым допущением является использование диаграмм направленности, не зависящих от состояния ЭЯ и угла падения на нее ЭМ волны.

На момент публикации результатов диссертации отсутствовали исследования, направленные на построение и изучение гибридных моделей ЭЯ, использующих основные характеристики из среды моделирования CST

Studio при одновременном учете состояний ЭЯ, угла падения и поляризации падающей на РИП ЭМ волны. Также не найдены работы, использующие аддитивное производство с целью увеличения ширины рабочей полосы ЭЯ РИП. Более того отсутствуют работы, посвященные влиянию дождя и защитного покрытия РИП на ее основные характеристики, и, соответственно, отсутствуют рекомендации по возможным методам компенсации данного влияния.

Объектом исследования является однобитная и однополяризационная ЭЯ РИП, а предметом исследования — ее амплитудно- и фазо-частотные характеристики.

Целью работы является повышение производительности реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей.

Для достижения поставленной цели в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

1. Разработать и исследовать модель ЭЯ, характеристики которой зависят от поляризации и угла падения ЭМ волны и состояния ЭЯ, в среде моделирования QuaDRiGa для оценки производительности беспроводной системы с РИП.

2. Экспериментально исследовать явление увеличения ширины рабочей полосы РИП, изготовленной с помощью SD-печати и использующей диэлектрик с воздушными полостями.

3. Исследовать влияние защитного покрытия РИП на АЧХ и ФЧХ ее ЭЯ и разработать метод его компенсации.

4. Исследовать влияние капель дождя, находящихся на поверхности РИП, на АЧХ и ФЧХ ЭЯ и разработать метод его компенсации.

Методы исследования. В диссертации используются методы теории телекоммуникационных сетей, теории вероятностей, теории случайных процессов, теории электромагнетизма. При имитационном моделировании используются среда моделирования СВЧ-структур CST Microwave Studio и среда моделирования систем связи QuaDRiGa.

Научная новизна. В диссертации впервые:

1. Разработана и исследована гибридная модель ЭЯ, учитывающая углы падения, поляризацию ЭМ волны, и состояние ЭЯ.

2. Экспериментально подтверждено увеличение ширины рабочей полосы РИП благодаря использованию ЭО-печатного диэлектрика с воздушными полостями.

3. Исследовано влияние покрытия РИП и капель дождя на ФЧХ и АЧХ ЭЯ РИП.

4. Предложены методы компенсации влияния покрытия РИП и капель дождя с помощью изменения размеров ЭЯ.

Практическая ценность и реализация результатов. Предложенные методы компенсации влияния защитного покрытия РИП и капель дождя, на поверхности РИП, позволяют учитывать данные факторы уже на этапе проектирования РИП. Экспериментальные результаты, полученные в данной работе, демонстрируют возможность увеличения рабочей полосы РИП за счёт применения ЭО-печатных материалов. Эти результаты могут быть использованы разработчиками при создании РИП с характеристиками, не уступающими аналогам, изготовленным традиционными методами производства печатных плат. Применение теоретических результатов, представленных в диссертации, способствует ускоренному внедрению РИП в существующие и будущие системы беспроводной связи.

Результаты работы внедрены и используются на практике, что подтверждено соответствующими актами. В частности, разработанные модель и методы использованы в научно-исследовательских проектах, выполняемых ИППИ РАН по проектам: РНФ «Разработка технологии Н-М1МО для будущих систем беспроводной связи» (№ 25-49-002Э2), «Разработка и анализ методов обеспечения заданного качества обслуживания трафика в сетях Индустриального Интернета вещей» (№ РРКИ-2022-00Э5), «Методы обеспечения сверхнадежной связи с малой задержкой для высокоавтоматизированных транспортных средств и беспилотных летательных аппаратов» (№ РРКИ-2025-00Э0) и НИУ ВШЭ по проектам: «Методы повышения качества передачи данных беспроводных локальных сетей с помощью внешних управляемых отражателей» (№ НИОКТР 12Э042500050-8), «Повышение производительности беспроводных сетей с помощью реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей» (№ НИОКТР 124022000101-3), «Разработка, формализация и анализ моделей

реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) для сетей связи 6G» (№ НИОКТР 125031803875-3).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная гибридная модель ЭЯ позволяет по заданным ФЧХ и ЭПР этой ЭЯ оценить отношение сигнал/шум на приемнике системы связи с РИП для ее произвольной конфигурации.

2. Благодаря воздушным полостям использование 3Э-печатной ЭЯ из HIPS увеличивает рабочую полосу РИП до 1,4 раза по сравнению с ЭЯ на традиционных текстолитах печатных плат.

3. Разработанный метод компенсации позволяет снизить потери, вызванные влиянием покрытий толщиной до 100 мкм и с диэлектрической проницаемостью до 4,2, до 1 дБ для РИП, работающих в диапазоне частот до 5,3 ГГц.

4. Разработанный метод компенсации влияния капель дождя, находящихся на поверхности РИП, уменьшает падение отношения сигнал/шум на приемнике системы связи с РИП, работающих в диапазоне частот до 4,8 ГГц, до 0,9 дБ при среднем падении до 5,4 дБ в условиях дождя с интенсивностью не более 70 мм/ч.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на ведущих международных и российских конференциях: IEEE BlackSeaCom (Грузия, 2024 г.), «Информационные технологии и системы» в 2022, 2023, 2024 гг., 66-я Всероссийская научная конференция МФТИ в 2024 г., а также на семинарах ИППИ РАН.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них 8 статей [1-8] — в рецензируемых журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, первые 3 из которых входят в первый квартиль (Q1) журналов по импакт-фактору Scopus, 1 статья [9] — в рецензируемом журнале, индексируемом базой данных RSCI, 1 статья [10] — в сборнике, индексируемом базами данных Scopus и Web of Science, а также 5 статей [11-15] — в сборниках трудов иных конференций.

Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Диссертантом были лично разработаны гибридная модель ЭЯ, методы анализа влияния покрытия и дождя на основные характеристики

ЭЯ, а также методы их компенсации. Также диссертантом были лично спроектированы и изготовлены ЭЯ, использующие аддитивное производство, и экспериментально измерены их характеристики. Во всех приведенных работах вклад соавторов заключался в постановке задач, в частичном участии в анализе литературы и в получении, анализе численных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 116 страниц, включая 38 рисунков и 10 таблиц. Библиография включает 125 наименований.

Глава 1

Принципы работы и построения РИП 1.1. Общая структура РИП

Реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (РИП) представляют собой периодическую плоскую структуру, состоящую из элементарных ячеек (ЭЯ, англ. Unit Cells), способных изменять амплитуду и/или фазу отражаемой электромагнитной (ЭМ) волны при воздействии управляющих внешних сигналов. Каждая элементарная ячейка включает в себя отражающий элемент и управляющий чип. В качестве отражающего элемента чаще всего применяется патч, а в роли управляющего чипа выступают PIN-диоды или варикапы. В литературе можно встретить множество определений и вариаций РИП, включая реконфигурируемые метаповерхности со сложной архитектурой, например, основанные на жидких кристаллах [16]. Тем не менее, на сегодняшний день РИП, построенные на основе патчей, остаются наиболее популярными среди исследователей благодаря своей простой конструкции, низкой себестоимости и широкому ассортименту материалов для производства [17]. В связи с этим в данной диссертации рассматриваются исключительно РИП на базе патчей, которые далее будут называться просто РИП.

Общий вид реконфигурируемой интеллектуальной поверхности (РИП) показан на рисунке 1.1. Управление РИП происходит посредством подачи управляющих напряжений смещения на каждую ЭЯ. За контролем подачи этих управляющих напряжений осуществляется отвечает контроллер РИП, который может быть реализован в виде микроконтроллера или программируемой логической интегральной схемы. ЭЯ представляет собой многослойную конструкцию, на верхнем слое которой располагаются отражающий элемент и управляющий чип. В качестве отражающего элемента используется прямоугольный металлический патч, размеры которого задают центральную рабочую частоту РИП. Приблизительный размер патча составляет порядка , где Ас — длина волны электромагнитного излучения на центральной частоте, а

£ — диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлена ЭЯ. Управляющий чип является микросхемой или полупроводниковым прибором, с помощью которого регулируется импеданс ЭЯ, что позволяет изменять фазу и амплитуду отраженной ЭМ волны. Более подробное описание процесса управления фазой и амплитудой представлено в разделе 1.2.

Q Металл | Диэлектрик

Рисунок 1.1 - Общий вид структуры РИП

1.2. Принципы аномального отражения РИП

Опишем взаимодействие РИП c ЭМ волной. Для этого рассмотрим падение на поверхность РИП плоской монохроматической ЭМ волны длины Л в приближении дальнего поля, как показано на рисунке 1.2. Главным процессом взаимодействия ЭМ излучения с РИП является отражение, при этом верхний слой РИП выступает в роли отражающей поверхности. Пусть Ах — расстояние между центрами соседних ЭЯ, ^ — фазовый сдвиг на одной из этих ЭЯ, а А^> — разность фазовых сдвигов между ними. Создание скачков фазовых сдвигов между соседними ЭЯ приводит к разрыву и непостоянству фазы по всему верхнему слою РИП. В таком случае классический закон отражения, при котором углы падения и отражения равны, не работает, т.е. происходит аномальное отражение. Такое явление описывается обобщенным законом Снэлла для отражения [18], который можно выразить следующим образом:

sin 9r — sin Oí = ——(1.1)

г г 2пп Ах} v J

где в I — угол падения; вг — угол отражения; п — показатель преломления среды распространения ЭМ волны. При ^ = 0 выражение (1.1) принимает вид классического закона отражения.

х

— Металл

— Диэлектрик

Рисунок 1.2 - Отражение ЭМ волны от РИП

Поскольку фазовый сдвиг каждой ЭЯ РИП управляется независимо, то с помощью выражения (1.1) можно определить, какую разность фазовых сдвигов необходимо создать между соседними ЭЯ. Разность фазовых сдвигов, необходимая для отражения ЭМ волны на угол вг при падении под углом равна.

2 ^пАт

(1.2)

. 2ппАт . ...

А ( = --- (БШ иг — БШ .

Л

Рассмотрим, каким образом с помощью настройки РИП можно обеспечить требуемую разность фазовых сдвигов. Предполагается, что размеры ЭЯ меньше длины ЭМ волны, с которой взаимодействует РИП, поэтому ее можно рассматривать как линию передачи [19]. Тогда с помощью выражения для коэффициента отражения можно найти, при каких значениях импеданса на соседних элементах будет достигаться заданная разность фазовых сдвигов между ними при заданной круговой частоте ш падающего ЭМ излучения. Комплексный коэффициент отражения Г(ш) ЭЯ определяется ее входным импедансом Z¿n, который включает в себя импедансы управляющего чипа и отражающего элемента, и волновым сопротивлением вакуума Z0, которое

является постоянным и равно 377 Ом:

7—7

ГМ = = |Г|е*(г), (1.3)

^in + ^о

где |Г| — коэффициент отражения по амплитуде, а ^(Г) — разность фаз между падающей и отраженной ЭМ волной, т.е. фазовый сдвиг. Тогда разность фазовых сдвигов, которая задается между соседними элементами с номерами т и т + 1 выражается как

Д^ = ^ш(Г) - <£т+х(Г).

Для расчета Г используются такие системы моделирования, как HFSS [20] или CST Microwave Studio (CST) [21], где рассчитываются амплитудно-и фазо-частотные характеристики (АЧХ и ФЧХ) ЭЯ. ФЧХ позволяет определить значение фазового сдвига ^(Г) на требуемой частоте, а АЧХ — значение коэффициента отражения |Г|. Таким образом, после определения фазового сдвига из ФЧХ и коэффициента отражения из АЧХ с помощью выражений ((1.2)) и ((1.3)) можно получить зависимость между входным импедансом Zin и желаемым углом отражения 0Г:

П ( ^ I Л I ^in п --I ^in П+1 - \ \ , Л

er = arcsm --— Arg ' - Arg -—— + sin(6m .

\2ппДх \ \Zm,n + Z0) \Zm,n+i + Z0JJ J

(1.4)

1.3. Возможности РИП по изменению ЭМ волны

В разделе 1.2 показано, что аномальное отражение является основным физическим принципом, лежащим в основе работы РИП. Аномальное отражение, достигаемое с помощью регулировки импеданса каждой ЭЯ через выражение (1.4), позволяет выполнять большую часть преобразований ЭМ волны. Рассмотрим наиболее известные из них.

Отклонение луча. Под отклонением луча понимается отражение, при котором не работает классический закон отражения. В этом случае угол отражения может быть любым заранее заданным при условии соблюдения

обобщенного закона Снэлла (1.2). Отклонения луча в заранее заданном направлении можно добиться с помощью создания одинаковой разности фазовых сдвигов между соседними элементами. Чаще всего РИП используют именно для отклонения луча [22, 23], что позволяет отражать сигнал от передатчика напрямую к приемнику, тем самым повышая мощность сигнала на нем.

Формирование луча (фокусирование). С помощью формирования луча можно добиться фокусирования ЭМ волны, отраженной от РИП, в определенной точке пространства. Так как отраженная ЭМ волна должна сфокусироваться в одну точку, а падение ЭМ волны происходит под одним углом, то в отличие от отклонения луча, при котором на соседних ЭЯ создается одинаковая разность фазовых сдвигов, для формирования луча на соседних ЭЯ нужно создавать различные разности фазовых сдвигов. Используя выражение (1.2), можно определить какие фазовые сдвиги нужно создать на каждой ЭЯ для реализации формирования луча. На данный момент большинство авторов демонстрируют в своих прототипах именно эту функцию [22,24,25].

Фазовая манипуляция. Фазовая манипуляция — один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения. Данная функция реализуется через сопоставление каждой фазы из дискретного набора со своей битовой последовательностью. Чаще всего фазовую манипуляцию реализуют в РИП с варикапами ввиду возможности регулировки фазы в широком диапазоне, например, в работе [26]. Архитектура РИП с реализацией данной функции проще, но предоставляет сопоставимую производительность с системой приемник-передатчик, где передатчик выполняет фазовую манипуляцию.

Разделение луча. С помощью разделения падающего луча при отражении формируется несколько основных лучей. Оно представлено в работах [23,25]. Для реализации разделения луча авторы поочередно подают напряжение питания и заземляют все ЭЯ по вертикали с помощью РШ-диодов, создавая таким образом два основных луча при отражении. Кроме этого, разделение луча может быть использовано для многопользовательской передачи, когда каждый из лучей, отраженных от РИП, фокусируется на отдельном

пользовательском устройстве.

Поглощение. Поглощение является единственным преобразованием ЭМ волны не основанным на аномальном отражении. С помощью РИП можно добиться поглощения падающей ЭМ волны с коэффициентом поглощения более 90% [27, 28] в заданном диапазоне частот. Для его реализации входной импеданс каждой ЭЯ настраивается практически равным импедансу свободного пространства, чтобы коэффициент отражения (1.3) стремился к нулю. РИП с PIN-диодами позволяет реализовать поглощение в узкой полосе частот шириной до 5 МГц [29] в независимости от несущей частоты. Однако, если требуется поглощение в более широкой полосе частот, необходимо использовать РИП с варикапом [28]. Поглощение позволяет использовать РИП в качестве сенсора, например, для определения угла падения и поляризации ЭМ волны [30, 31]. Также поглощение позволяет использовать РИП для сбора энергии (англ.: energy harvesting) [32], обеспечивая ее дополнительным питанием.

Таким образом, РИП можно использовать для различных преобразований ЭМ волны. Однако стоит отметить, что многие из них определяются архитектурой РИП.

1.4. Особенности выбора значений сдвига фаз

Диапазон фазового сдвига зависит от используемого в ЭЯ управляющего чипа. Для обеспечения непрерывного диапазона от 0 до 2-к можно использовать аналоговый фазовращатель. Однако использование фазовращателей в составе РИП приводит к использованию высокого аналогового напряжения, которое трудно получить в маломощных схемах, а также к снижению мощности отраженного сигнала по сравнению с мощностью падающего сигнала [17]. Альтернативой аналоговому фазовращателю является варикап. Данный элемент позволяет варьировать значение разности фаз в широком непрерывном диапазоне и обеспечивает меньшее ослабление отраженной от РИП ЭМ волны. Также для снижения стоимости РИП и упрощения ее конструкции используются элементы, способные изменять фазу отраженной ЭМ волны на ограниченный набор фиксированных значений. Для регулировки разности

фазовых сдвигов, описанной выражением (1.2), с помощью данных элементов используется фазовое квантование.

Однобитное фазовое квантование Д^ можно определить следующим выражением:

I п, если п/2 < Д^> < 3п/2, = <

I 0, иначе.

Для его реализации используют PIN-диод [33,34], радиочастотный коммутатор с двумя линиями передачи [17, 35] или варикап (при использовании двух управляющих напряжений) [36,37]. Стоит отметить, что в реальных условиях возможны отклонения от 180°, вызванные различными неидеальностями ЭЯ [4], ее защитным покрытием [6] или погодными явлениями, например, дождем [8]. Для достижения большего количества состояний необходимо использовать более сложные структуры ЭЯ, содержащие, например, варикап (при использовании нескольких управляющих напряжений) [26], радиочастотный коммутатор и несколько линий передач [17] или несколько PIN-диодов [38].

Таким образом можно регулировать фазовые сдвиги на всех элементах РИП как в непрерывном диапазоне, так и в заданном дискретном множестве, добиваясь тем самым различных манипуляций с падающей ЭМ волной.

1.5. Структура ЭЯ и типы управляющих элементов

ЭЯ является основным компонентом, из которого состоит РИП. Именно структура ЭЯ во многом определяет конечные параметры РИП и функции, которые она может выполнять с падающей ЭМ волной. Структура ЭЯ выглядит следующим образом. На верхнем слое находится управляющий чип, который соединен с отражающим элементом. Управляющий чип необходим для изменения импеданса ЭЯ. В качестве отражающего элемента используется металлический патч, параметры которого определяют частоту, на которой будет работать РИП. Слой ниже является диэлектриком со значениями диэлектрической проницаемости £ в диапазоне от 2 до 4,5 и тангенса угла потерь 5 от 0,0009 до 0,0037 [22-25,29,38-42]. Диэлектрическая проницаемость отвечает за усиление отраженной ЭМ волны, чем ниже диэлектрическая

проницаемость, тем выше усиление. Тангенс угла потерь является углом, на котором отличается сдвиг фаз между током и напряжением в реальных радиоэлементах относительно идеальных элементов, поэтому чем он меньше, тем меньше потери в ЭЯ. Чаще всего слой диэлектрика выполняется из стеклотекстолита РИ,4 [24,29,38] и Р4Б [22,23]. Под диэлектриком находится слой металла для заземления. Рассмотрим далее подробно отражающий элемент и управляющий чип.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тярин Андрей Сергеевич, 2025 год

Список литературы

1. Poyda Arseny, Tyarin Andrey, Glinskiy Kirill et al. Experimental study of a User-Centric RIS in existing cellular systems // Computer Networks. 2025. Vol. 263. P. 111219.

2. Burtakov I., Kureev A., Tyarin A., Khorov E. QRIS: A QuaDRiGa-based simulation platform for reconfigurable intelligent surfaces // IEEE Access. 2023. Vol. 11. Pp. 90670-90682.

3. Tyarin A., Glinskiy K., Zlobin R. et al. AMoRE: Additive Manufacturing of RIS Elements // IEEE Access. 2025. Vol. 13. Pp. 145451-145463.

4. Tyarin AS, Kureev AA, Khorov EM. Study of the Characteristics of Reconfigurable Intelligent Surfaces with Imperfect Unit Cells // Journal of Communications Technology and Electronics. 2022. Vol. 67, no. Suppl 1. Pp. S159-S166.

5. Tyarin AS, Kureev AA, Khorov EM. Fundamentals of design and operation of reconfigurable intelligent surfaces // Journal of Communications Technology and Electronics. 2024. Pp. 1-7.

6. Tyarin AS, Tronin SS, Kureev AA, Khorov EM. Effect of a Protective Coating on the Characteristics of a Reconfigurable Intelligent Surface // Journal of Communications Technology and Electronics. 2024. Pp. 1-8.

7. Tyarin AS, Glinskiy KA, Kureev AA, Khorov EM. Study of RIS Unit Cells Using 3D-Printed Waveguides // Journal of Communications Technology and Electronics. 2024. Vol. 69, no. 10. Pp. 402-407.

8. Tronin SS, Tyarin AS, Kureev AA, Khorov EM. Effect of Water Drops on the Characteristics of a Reconfigurable Intelligent Surface // Journal of Communications Technology and Electronics. 2024. Vol. 69, no. 10. Pp. 394-401.

9. Тярин А. С., Тронин С. С., Буртаков И. А. et al. Компенсация влияния капель дождя на производительность беспроводной системы с реконфигурируемой интеллектуальной поверхностью // Проблемы передачи информации. 2025. Vol. 61, no. 2. Pp. 83-95.

10. Tyarin Andrey, Glinskiy Kirill, Kureev Aleksey, Khorov Evgeny. 3D-PRISE: 3D-Printed Reconfigurable Intelligent Surface Element // 2024 IEEE

International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom) / IEEE. 2024. Pp. 364-367.

11. Тярин А., Куреев А. Исследование влияния отклонения размеров патч-антенны на характеристики реконфигурируемой интеллектуальной поверхности // ИТиС 2022 : Сборник трудов 46-й междисциплинарной школы-конференции ИППИ РАН, Огниково, 02-06 октября 2022 года. Москва: Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, 2022. Pp. 415-421.

12. Тярин А.С., Буртаков И.А., Куреев А.А. Исследование и разработка модели элементарной ячейки RIS в QuaDRiGa // Информационные технологии и системы 2023 (ИТиС 2023): Сборник трудов 47-й междисциплинарной школы-конференции ИППИ РАН. Огниково, 17-21 сентября 2023 года: Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, 2023. Pp. 372-380.

13. Тронин С., Тярин А., Куреев А. Влияние защитного покрытия на характеристики RIS для частоты 5,3 ГГц // Информационные технологии и системы 2023 (ИТиС 2023): Сборник трудов 47-й междисциплинарной школы-конференции ИППИ РАН. Огниково, 17-21 сентября 2023 года: Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, 2023. Pp. 324-326.

14. Тронин С.С., Тярин А.С., Куреев А.А. Влияние капель воды на характеристики отражающего элемента элементарной ячейки RIS // Сборник трудов 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ. 2024. Pp. 151-152.

15. Тронин С.С., Тярин А.С., Куреев А.А. Влияние капель воды на поверхности РИП на ее характеристики // Сборник трудов конференции "Информационные Технологии и Системы (ИТиС) 2024". 16-20 сентября 2024 года: 2024. Pp. 391-394.

16. Foo Senglee. Liquid-crystal reconfigurable metasurface reflectors // 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting / IEEE. 2017. Pp. 2069-2070.

17. Dunna Manideep, Zhang Chi, Sievenpiper Daniel, Bharadia Dinesh. ScatterMIMO: Enabling virtual MIMO with smart surfaces // Proceedings

of the 26th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking. 2020. Pp. 1-14.

18. Yu Nanfang, Genevet Patrice, Kats Mikhail A et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction // science. 2011. Vol. 334, no. 6054. Pp. 333-337.

19. Liang Ying-Chang, Chen Jie, Long Ruizhe et al. Reconfigurable intelligent surfaces for smart wireless environments: channel estimation, system design and applications in 6G networks // Science China Information Sciences. 2021. Vol. 64, no. 10. Pp. 1-21.

20. High Frequency Structure Simulator (HFSS), Ansoft Corporation, Pittsburgh.

21. CST STUDIO SUITE, CST AG, Germany, www.cst.com.

22. Zhang Lei, Chen Xiao Qing, Liu Shuo et al. Space-time-coding digital metasurfaces // Nature communications. 2018. Vol. 9, no. 1. Pp. 1-11.

23. Huang Cheng, Zhang Changlei, Yang Jianing et al. Reconfigurable metasurface for multifunctional control of electromagnetic waves // Advanced Optical Materials. 2017. Vol. 5, no. 22. P. 1700485.

24. Xiao Qiang, Zhang Ying Zhe, Iqbal Shahid et al. Beam Scanning at Ka-Band by Using Reflective Programmable Metasurface // 2019 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP) / IEEE. 2019. Pp. 1-3.

25. Yang Huanhuan, Cao Xiangyu, Yang Fan et al. A programmable metasurface with dynamic polarization, scattering and focusing control // Scientific reports. 2016. Vol. 6, no. 1. Pp. 1-11.

26. Tang Wankai, Dai Jun Yan, Chen Mingzheng et al. Programmable metasurface-based RF chain-free 8PSK wireless transmitter // Electronics Letters. 2019. Vol. 55, no. 7. Pp. 417-420.

27. Kim Hyung Ki, Lee Dongju, Lim Sungjoon. Frequency-tunable metamaterial absorber using a varactor-loaded fishnet-like resonator // Applied optics. 2016. Vol. 55, no. 15. Pp. 4113-4118.

28. Zhao Jie, Cheng Qiang, Chen Jie et al. A tunable metamaterial absorber using varactor diodes // New Journal of Physics. 2013. Vol. 15, no. 4. P. 043049.

29. Zhu Bo, Feng Yijun, Zhao Junming et al. Switchable metamaterial reflector/absorber for different polarized electromagnetic waves // Applied Physics Letters. 2010. Vol. 97, no. 5. P. 051906.

30. Albanese Antonio, Devoti Francesco, Sciancalepore Vincenzo et al. MARISA: A self-configuring metasurfaces absorption and reflection solution towards 6G. 2022. Pp. 250-259.

31. Liaskos Christos, Pyrialakos Georgios, Pitilakis Alexandros et al. ABSense: Sensing electromagnetic waves on metasurfaces via ambient compilation of full absorption // Proceedings of the Sixth Annual ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication. 2019. Pp. 1-6.

32. Eteng Akaa Agbaeze, Goh Hui Hwang, Rahim Sharul Kamal Abdul, Alomainy Akram. A review of metasurfaces for microwave energy transmission and harvesting in wireless powered networks // IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 27518-27539.

33. Amri M. M., Tran N. M., Choi K. W. Reconfigurable intelligent surface-aided wireless communications: Adaptive beamforming and experimental validations // IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 147442-147457.

34. Trichopoulos Georgios C, Theofanopoulos Panagiotis, Kashyap Bharath et al. Design and evaluation of reconfigurable intelligent surfaces in real-world environment // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2022. Vol. 3. Pp. 462-474.

35. Garcia Sanchez Sara, Reus Muns Guillem, Bocanegra Carlos et al. AirNN: Neural Networks with Over-the-Air Convolution via Reconfigurable Intelligent Surfaces // arXiv e-prints. 2022. Pp. arXiv-2202.

36. Araghi Ali, Khalily Mohsen, Safaei Mahmood et al. Reconfigurable intelligent surface (ris) in the sub-6 ghz band: Design, implementation, and real-world demonstration // IEEE Access. 2022. Vol. 10. Pp. 2646-2655.

37. Tian Shuncheng, Liu Haixia, Li Long. Design of 1-bit digital reconfigurable reflective metasurface for beam-scanning // Applied Sciences. 2017. Vol. 7, no. 9. P. 882.

38. Dai Linglong, Wang Bichai, Wang Min et al. Reconfigurable intelligent surface-based wireless communications: Antenna design, prototyping, and experimental results // IEEE access. 2020. Vol. 8. Pp. 45913-45923.

39. Alexandropoulos George C, Shlezinger Nir, Del Hougne Philipp. Reconfigurable intelligent surfaces for rich scattering wireless communications: Recent experiments, challenges, and opportunities // IEEE Communications

Magazine. 2021. Vol. 59, no. 6. Pp. 28-34.

40. Carrasco Eduardo, Barba Mariano, Encinar Jose A. X-band reflectarray antenna with switching-beam using PIN diodes and gathered elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, no. 12. Pp. 5700-5708.

41. Kamoda Hirokazu, Iwasaki Toru, Tsumochi Jun, Kuki Takao. 60-GHz electrically reconfigurable reflectarray using pin diode // 2009 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest / IEEE. 2009. Pp. 1177-1180.

42. Tran Nguyen Minh, Amri Muhammad Miftahul, Park Je Hyeon et al. A novel coding metasurface for wireless power transfer applications // Energies. 2019. Vol. 12, no. 23. P. 4488.

43. Arun Venkat, Balakrishnan Hari. RFocus: Beamforming Using Thousands of Passive Antennas // 17th USENIX symposium on networked systems design and implementation (NSDI 20). 2020. Pp. 1047-1061.

44. Kaina Nadege, Dupre Matthieu, Lerosey Geoffroy, Fink Mathias. Shaping complex microwave fields in reverberating media with binary tunable metasurfaces // Scientific reports. 2014. Vol. 4, no. 1. Pp. 1-8.

45. Tan Xin, Sun Zhi, Jornet Josep M, Pados Dimitris. Increasing indoor spectrum sharing capacity using smart reflect-array // 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC) / IEEE. 2016. Pp. 1-6.

46. Tan Xin, Sun Zhi, Koutsonikolas Dimitrios, Jornet Josep M. Enabling indoor mobile millimeter-wave networks based on smart reflect-arrays // IEEE INFOCOM 2018-IEEE Conference on Computer Communications / IEEE. 2018. Pp. 270-278.

47. Lau Jonathan Y, Hum Sean V. Reconfigurable transmitarray design approaches for beamforming applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. Vol. 60, no. 12. Pp. 5679-5689.

48. Hand Thomas H, Cummer Steven A. Reconfigurable reflectarray using addressable metamaterials // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2010. Vol. 9. Pp. 70-74.

49. Liu Fu, Tsilipakos Odysseas, Pitilakis Alexandros et al. Intelligent metasurfaces with continuously tunable local surface impedance for multiple reconfigurable functions // Physical Review Applied. 2019. Vol. 11, no. 4. P. 044024.

50. Doherty Bill. PIN diode fundamentals // MicroNote Series. 2006. Vol. 701. Pp. 1-2.

51. Kaina Nadege, Dupre Matthieu, Fink Mathias, Lerosey Geoffroy. Hybridized resonances to design tunable binary phase metasurface unit cells // Optics express. 2014. Vol. 22, no. 16. Pp. 18881-18888.

52. Kosmopoulos SA, Hoefer WJR, Gagnon A. Nonlinear TLM modelling of high-frequency varactor multipliers and halvers tm // International journal of infrared and millimeter waves. 1989. Vol. 10, no. 3. Pp. 343-352.

53. Pei Xilong, Yin Haifan, Tan Li et al. RIS-aided wireless communications: Prototyping, adaptive beamforming, and indoor/outdoor field trials // IEEE Transactions on Communications. 2021. Vol. 69, no. 12. Pp. 8627-8640.

54. Hum Sean Victor, Okoniewski Michal, Davies Robert J. Modeling and design of electronically tunable reflectarrays // IEEE transactions on Antennas and Propagation. 2007. Vol. 55, no. 8. Pp. 2200-2210.

55. Tang Wankai, Li Xiang, Dai Jun Yan et al. Wireless communications with programmable metasurface: Transceiver design and experimental results // China Communications. 2019. Vol. 16, no. 5. Pp. 46-61.

56. Zhao Jie, Yang Xi, Dai Jun Yan et al. Programmable time-domain digital-coding metasurface for non-linear harmonic manipulation and new wireless communication systems // National Science Review. 2019. Vol. 6, no. 2. Pp. 231-238.

57. Kossifos, Kypros M and Antoniades, Marco A and Georgiou, Julius and Jaafar, Ayoub H and Kemp, Neil T. An optically-programmable absorbing metasurface // 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) / IEEE. 2018. Pp. 1-5.

58. Kossifos Kypros M, Petrou Loukas, Varnava Giorgos et al. Toward the realization of a programmable metasurface absorber enabled by custom integrated circuit technology // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 92986-92998.

59. Balanis Constantine A. Antenna theory: analysis and design. John wiley & sons, 2016.

60. Chen Weicong, Bai Lin, Tang Wankai et al. Angle-dependent phase shifter model for reconfigurable intelligent surfaces: Does the angle-reciprocity hold? // IEEE Communications Letters. 2020. Vol. 24, no. 9. Pp. 2060-2064.

61. Basar Ertugrul, Yildirim Ibrahim. SimRIS channel simulator for reconfigurable intelligent surface-empowered communication systems // 2020 IEEE Latin-American Conference on Communications (LATINCOM) / IEEE. 2020. Pp. 1-6.

62. Dorokhin Semyon, Lysov Pavel, Aderkina Anastasia, Lyashev Vladimir. Reconfigurable Intelligent Surface MIMO Simulation using Quasi Deterministic Radio Channel Model // arXiv preprint arXiv:2211.12601. 2022.

63. Shi Hongyu, Liu Rui, Zhang Ziyang et al. An Ultra-Wideband 1-Bit Suspended Reconfigurable Intelligent Surface for Enhancing Wireless Coverage // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2024.

64. Chen Xiaotian, Peng Shengchao, Chu Hongbo et al. A Wideband Electronic Control Beam Scanning Dual-Polarized C-Band Reflectarray Antenna // 2024 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT) / IEEE. Vol. 1. 2024. Pp. 1-3.

65. Zong Xiaocun, Yang Fan, Xu Shenheng, Li Maokun. A Study of Four-Switch Cross-Shaped RIS and A Novel Design Example // arXiv preprint arXiv:2410.14261. 2024.

66. Wu Wen, Xu Kai-Da, Chen Qiang et al. A Wideband Reflectarray Based on Single-Layer Magneto-Electric Dipole Elements With 1-bit Switching Mode // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. Vol. 70, no. 12. Pp. 12346-12351.

67. Oliveira Tiago ES, Reis Joao R, Cuinas Inigo, Caldeirinha Rafael FS. A Novel Wideband 1-bit Reconfigurable Intelligent Surface Design for 26 GHz // 2024 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) / IEEE. 2024. Pp. 613-616.

68. Wang Min, Xu Shenheng, Yang Fan, Li Maokun. A 1-Bit Bidirectional Reconfigurable Transmit-Reflect-Array Using a Single-Layer Slot Element With PIN Diodes // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. Vol. 67, no. 9. Pp. 6205-6210.

69. Han Jiaqi, Li Long, Liu Guangyao et al. A Wideband 1 bit 12 x 12 Reconfigurable Beam-Scanning Reflectarray: Design, Fabrication, and Measurement // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2019. Vol. 18, no. 6. Pp. 1268-1272.

70. Hoel Karina Vieira, Kristoffersen Stein, Moen Jonas et al. Characterization of a 3D printed wideband waveguide and horn antenna structure embedded in a UAV wing // 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2016. Pp. 1-4.

71. Tamayo-Dominguez Adrian, Fernandez-Gonzalez Jose-Manuel, Sierra-Perez Manuel. Metal-Coated 3D-Printed Waveguide Devices for mm-Wave Applications [Application Notes] // IEEE Microwave Magazine. 2019. Vol. 20, no. 9. Pp. 18-31.

72. McKerricher Garret, Titterington Don, Shamim Atif. A Fully Inkjet-Printed 3-D Honeycomb-Inspired Patch Antenna // IEEE antennas and wireless propagation letters. 2015. Vol. 15. Pp. 544-547.

73. Kacar Merve, Weller Thomas M, Mumcu Gokhan. 3D Printed Wideband Multilayered Dual-Polarized Stacked Patch Antenna With Integrated MMIC Switch // IEEE Open Journal of Antennas and Propagation. 2020. Vol. 2. Pp. 38-48.

74. Qian Kun, Zhang Xinyu. Fully passive 3D printed reflecting surface for Millimeter-wave coverage expansion // Proceedings of the 20th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications and Services. 2022. Pp. 599-600.

75. Massaccesi Andrea, Beccaria Michele, Bertana Valentina et al. 3D-printed wideband reflectarray antennas with mechanical beam-steering // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2023. Pp. 1-9.

76. Guo Yujiao, Li Yujian, Wang Junhong et al. A 3D Printed Nearly Isotropic Luneburg Lens Antenna for Millimeter-Wave Vehicular Networks // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2022. Vol. 71, no. 2. Pp. 1145-1155.

77. Kusaykin D., Grigoriev I., Denisov D., Turalchuk P. Review of Luneburg Lens Antenna Designs Manufactured Using 3D Printing // Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2024. Vol. 27. Pp. 6-36.

78. Kim Kyounghwan, Phon Ratanak, Park Eiyong, Lim Sungjoon. 4D-printed intelligent reflecting surface with improved beam resolution via both phase modulation and space modulation // Microsystems & Nanoengineering. 2024. Vol. 10, no. 1. P. 157.

79. Pitilakis A, Seckel M, Tasolamprou AC et al. Multifunctional metasurface

architecture for amplitude, polarization and wave-front control // Physical Review Applied. 2022. Vol. 17, no. 6. P. 064060.

80. Abadal Sergi, Cui Tie-Jun, Low Tony, Georgiou Julius. Programmable metamaterials for software-defined electromagnetic control: Circuits, systems, and architectures // IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems. 2020. Vol. 10, no. 1. Pp. 6-19.

81. Cheng Cong, Lu Yuanfu, Zhang Dongbo et al. Gain enhancement of terahertz patch antennas by coating epsilon-near-zero metamaterials // Superlattices and Microstructures. 2020. Vol. 139. P. 106390.

82. Heikkinen Jouko J, Laine-Ma Teija T, Kivikoski Markku A. Flexible fabric-base patch antenna with protective coating // 2007 IEEE antennas and propagation society international symposium / IEEE. 2007. Pp. 4168-4171.

83. Zhang Yong-Ping, Wang Peng, Goldsmith Andrea. Rainfall effect on the performance of millimeter-wave MIMO systems // IEEE Transactions on wireless communications. 2015. Vol. 14, no. 9. Pp. 4857-4866.

84. Christofilakis Vasilis, Tatsis Giorgos, Chronopoulos Spyridon K et al. Earth-to-earth microwave rain attenuation measurements: A survey on the recent literature // Symmetry. 2020. Vol. 12, no. 9. P. 1440.

85. Han Congzheng, Duan Shu. Impact of atmospheric parameters on the propagated signal power of millimeter-wave bands based on real measurement data // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 113626-113641.

86. Mancini Alessio, Lebron Rodrigo M, Salazar Jorge L. The Impact of a Wet 5-Band Radome on Dual-Polarized Phased-Array Radar System Performance // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 67, no. 1. Pp. 207-220.

87. Liu Zhiping, Guo Qian, Li Mengzhen et al. Anti-interfering method for environmental foreign bodies for the microstrip antenna sensor // Measurement. 2022. Vol. 195. P. 111132.

88. Chen Weicong, Bai Lin, Tang Wankai et al. Angle-dependent phase shifter model for reconfigurable intelligent surfaces: Does the angle-reciprocity hold? // IEEE Communications Letters. 2020. Vol. 24, no. 9. Pp. 2060-2064.

89. Hashemi Ramin, Ali Samad, Mahmood Nurul, Latva-aho Matti. Average rate and error probability analysis in short packet communications over RIS-aided

URLLC systems // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2021.

90. Basar Ertugrul, Yildirim Ibrahim, Kilinc Fatih. Indoor and outdoor physical channel modeling and efficient positioning for reconfigurable intelligent surfaces in mmWave bands // IEEE Transactions on Communications. 2021. Vol. 69, no. 12. Pp. 8600-8611.

91. Balanis Constantine A. Advanced engineering electromagnetics. John Wiley & Sons, 2012.

92. Beiranvand Ehsan, Afsahy Majid, Sharbati Vahid. Reduction of the mutual coupling in patch antenna arrays based on EBG by using a planar frequency-selective surface structure // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2017. Vol. 9, no. 2. Pp. 349-355.

93. Msallem Bilal, Sharma Neha, Cao Shuaishuai et al. Evaluation of the Dimensional Accuracy of 3D-Printed Anatomical Mandibular Models Using FFF, SLA, SLS, MJ, and BJ Printing Technology // Journal of Clinical Medicine. 2020. Vol. 9, no. 3. URL: https://www.mdpi.com/2077-0383/ 9/3/817.

94. Aslanzadeh Samira et al. Investigation on electrical and mechanical properties of 3D printed nylon 6 for RF/microwave electronics applications // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 21. P. 100862.

95. Picha Tomas, Papezova Stanislava, Picha Stepan. Evaluation of Relative Permittivity and Loss Factor of 3D Printing Materials for Use in RF Electronic Applications // Processes. 2022. Vol. 10, no. 9. P. 1881.

96. Lee C.-K. et al. Evaluation of Microwave Characterization Methods for Additively Manufactured Materials // Designs. 2019. Vol. 3, no. 4.

97. Whittaker Thomas, Zhang Shiyu, Powell Alexander et al. 3D Printing Materials and Techniques for Antennas and Metamaterials: A survey of the latest advances // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2022.

98. Helena D., Ramos A., Varum T., Matos J. N. Antenna Design Using Modern Additive Manufacturing Technology: A Review // IEEE Access. 2020. Vol. 8. Pp. 177064-177083.

99. Vesely Petr, Horynova Eva, Tichy Tomas, Sefl Ondrej. Dielectric Property Measurement of PLA // 2016 IEEE International Conference on Electro Information Technology (EIT). 2016. Pp. 0788-0792.

100. Behzadnezhad Bahareh, Collick Bruce D, Behdad Nader, McMillan Alan B. Dielectric Properties of 3D-Printed Materials for Anatomy Specific 3D-Printed MRI coils // Journal of Magnetic Resonance. 2018. Vol. 289. Pp. 113-121.

101. Rohrdantz Benjamin, Rave Christian, Jacob Arne F. 3D-printed low-cost, low-loss microwave components up to 40 GHz // 2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). 2016. Pp. 1-3.

102. Colella Riccardo, Chietera Francesco Paolo, Michel Andrea et al. Electromagnetic characterisation of conductive 3D-Printable filaments for designing fully 3D-Printed antennas // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2022. Vol. 16, no. 11. Pp. 687-698. URL: https://ietresearch. onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1049/mia2.12278.

103. Wang LiBo, Lin Shu, Wang Yingqiao et al. Experimental Investigation of 3D-Printed Lightweight Waveguide Port Antenna // 2023 IEEE 11th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 2023. Pp. 1-3.

104. Stevens C. J. et al. 3D Printing of Functional Metal and Dielectric Composite Meta-Atoms // Small. 2022. Vol. 18, no. 10. Pp. 1-9.

105. Markel Vadim. Introduction to the Maxwell Garnett approximation: tutorial // Journal of the Optical Society of America A. 2016. Vol. 33. P. 1244.

106. Rajagopalan Harish, Rahmat-Samii Yahya. On the reflection characteristics of a reflectarray element with low-loss and high-loss substrates // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2010. Vol. 52, no. 4. Pp. 73-89.

107. Dansran Bayarsaikhan, Xu Songyuan, Heo Jiwon et al. Design of a Broadband Transition from a Coaxial Cable to a Reduced-Height Rectangular Waveguide // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, no. 20. P. 11265.

108. Enayati Pardis, Zarifi Davoud. Design of a Wideband Coaxial-to-Rectangular Waveguide Transition Based on Supershapes // IEEE Access. 2022. Vol. 10. Pp. 121924-121929.

109. Flann Microwave. Waveguide Calibration Kits: Series 708/730/750 - OOL 703/720/740 - TRL. 2022. Accessed 31 Aug 2024. URL: https://flann.com/ wp-content/uploads/2022/08/708-730-750-703-720-740-Rev1-No-inc. pdf.

110. WANGLING. PTFE glass fiber cloth copper clad plate series F4BM, F4BME.

2024. Accessed 21 August 2024. URL: https://www.wang-ling.com.cn/ allproducts/list-287-en.html.

111. 3GPP. NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone: Technical Specification (TS) 38.101: 3rd Generation Partnership Project (3GPP).

112. Nayeri Payam, Yang Fan, Elsherbeni Atef Z. Reflectarray antennas: theory, designs, and applications. 2018.

113. Abbasi Muhammad Inam, Ismail Muhammad Y. Reflection loss and bandwidth performance of X-band infinite reflectarrays: Simulations and measurements // Microwave and Optical Technology Letters. 2010. Vol. 53, no. 1. Pp. 77-80.

114. Infineon Technologies. BAR63-03W: Low signal distortion, surface mount RF PIN diode. Infineon Product Description. 2024. URL: https://www. infineon.com/dgdl/Inf ineon-BAR63SERIES_DS-DS-v01_01-EN.pdf.

115. KabelGarant. Медная фольга М1т 0,05 х 300 х 1000 мм. 2025. URL: https: //kabelgarant.ru/mednaya-folga-m1m-005-kh-300-kh-1000-mm/.

116. Plastik-Nit. Пластик HIPS НИТ для 3D принтера натуральный 1кг. 2025. URL: https://plastik-nit.ru/catalog/nit_hips/6470/.

117. ЧИП и ДИП. Фоторезист пленочный негативный 300х5000мм. 2025. URL: https://www.chipdip.ru/product/ fotorezist-plenochnyy-negativnyy-300x5000mm-9000048719.

118. Infineon BAR63-03WE6327. 2025.

119. JLCPCB. Заказ печатных плат на JLCPCB. 2025. URL: https://jlcpcb. com/.

120. Yang Jun, Chen Yijian, Cui Yijun et al. How Practical Phase-shift Errors Affect Beamforming of Reconfigurable Intelligent Surface? // arXiv preprint arXiv:2304.06388. 2023.

121. Rano Dinesh, Hashmi Mohammad S. Determination of effective dielectric constant and resonant frequency of microstrip patch antenna with multilayered superstrate structures // 2019 49th European Microwave Conference (EuMC) / IEEE. 2019. Pp. 81-84.

122. Zhu Qiuming, Wang Cheng-Xiang, Hua Boyu et al. 3GPP TR 38.901 channel model // the wiley 5G Ref: the essential 5G reference online. Wiley Press, 2021. Pp. 1-35.

123. Crane Robert K. Electromagnetic wave propagation through rain. 1996.

124. Poyda Arseny, Burtakov Ilya, Kureev Aleksey, Khorov Evgeny. Fast Wide Beam Adjustment of Reconfigurable Intelligent Surfaces in Practical Deployments // IEEE Access. 2024.

125. Pekcan Dogan Kutay, Liao Hongyi, Ayanoglu Ender. Received Power Maximization Using Nonuniform Discrete Phase Shifts for RISs With a Limited Phase Range // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2024.

Список иллюстративного материала

1.1 Общий вид структуры РИП............................................12

1.2 Отражение ЭМ волны от РИП........................................13

1.3 Эквивалентные схемы двух состояний PIN-диода....................19

1.4 Общая структура элементарной ячейки (ЭЯ) с PIN-диодом: виды сверху и сбоку ..........................................................21

1.5 Эквивалентная схема варикапа........................................24

1.6 Примеры элементарных ячеек, в которых используется варикап . 25

2.1 Фазо-частотная характеристика ЭЯ для включенного (ON) и выключенного (OFF) состояний PIN-диода и при нормальном падении ЭМ волны ........................... 39

2.2 Зависимости разностей фазовых сдвигов от угла падения ЭМ волны фъ для ЭЯ в состояниях ON и OFF для горизонтальной

и вертикальной поляризации при = 90° на частоте 5,3 ГГц ... 40

2.3 Сравнение зависимостей мощности на Rx, полученных при моделировании в QuaDRiGa для различных моделей ЭЯ..... 44

2.4 Сравнение зависимостей мощности на Rx, полученных при моделировании в QuaDRiGa и с помощью ОУР........... 46

3.1 Структура 3D-печатной ЭЯ: (а) вид сбоку и (б) структура слоев . 56

3.2 Схема прямоугольного волновода ................... 59

3.3 Патч-антенна для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь 3D-печатного пластика............ 60

3.4 АЧХ 3D-печатного волновода, рассчитанного для измерений ЭЯ РИП на 4,8 ГГц............................. 63

3.5 Квадратный патч с подложкой из ФАФ-4Д: (а) вид сбоку и (б) сверху .................................. 63

3.6 а) АЧХ и б) ФЧХ пар квадратных патчей для различных значений L, полученные в CST (CST) и измеренные экспериментально с помощью 3D-печатного волновода и векторного анализатора цепей (VNA)................ 65

3.7 Структура традиционной ЭЯ: (а) вид сбоку и (б) структура слоев 66

3.8 (а) АЧХ и (б) ФЧХ 3D-печатной и традиционной ЭЯ, полученные в CST, при условии прямого падения на них ЭМ волны для каждого состояния ЭЯ......................... 67

3.9 Экспериментальная установка для измерения характеристик ЭЯ . 68

3.10 Пары (а) 3D-печатных и (б) традиционных ЭЯ........... 69

3.11 (а) АЧХ и (б) ФЧХ 3D-печатной и традиционной ЭЯ, полученные при моделировании в CST (Мод.) и в ходе экспериментального измерения (Экс.)............................ 70

4.1 Сценарий моделирования ЭЯ с защитным покрытием....... 73

4.2 Зависимости фазового сдвига от tc для различных значений £c

на частоте 2,6 ГГц........................... 75

4.3 Зависимости амплитуд коэффициента отражения в состояниях

ON и OFF от tc для различных материалов на частоте 2,6 ГГц . 76

4.4 Зависимости полных потерь на частоте 2,6 ГГц от tc для различных материалов ......................... 77

4.5 Зависимости фазового сдвига от tc для различных значений ее

на частоте 5,3 ГГц ........................... 78

4.6 Зависимости амплитуд коэффициента отражения в состояниях

ON и OFF от tc для различных материалов на частоте 5,3 ГГц . 79

4.7 Зависимости полных потерь на частоте 5,3 ГГц от tc для различных материалов ......................... 79

5.1 Схема расположения полусферической капли на поверхности ЭЯ 82

5.2 Пример АЧХ (а) и ФЧХ (б) ЭЯ с каплей, у которой xc = 10,

yc = 0, D = 2, и без нее........................ 83

5.3 Силовые линии электрического поля ЭЯ в состоянии OFF (а) с

(б) без капли с xc = -10, yc = 0, D = 2............... 84

5.4 Итерационный алгоритм компенсации влияния капель дождя на

ЭЯ РИП................................. 86

5.5 Зависимость сдвига резонансной частоты, вызванной Щ каплями, (Д/i) от суммы резонансных сдвигов, вызванными этими Щ каплями по отдельности (Д/2).................... 88

5.6 Зависимости среднего сдвига резонансной частоты Afr(D) исходной и скомпенсированной (скомп.) ЭЯ в состояниях ON и OFF от диаметра капли D и их аппроксимации .......... 90

5.7 Зависимости суммарного сдвига резонансной частоты Д/г(D) исходной и скомпенсированной (скомп.) ЭЯ в состояниях ON и OFF от интенсивности дождя R................... 90

5.8 (а) АЧХ и (б) ФЧХ исходной и скомпенсированной (скомп.) ЭЯ в состояниях ON и OFF ......................... 92

5.9 Зависимости разности фаз между состояниями ON и OFF исходной и скомпенсированной (скомп.) ЭЯ от интенсивности дождя R на частотах 4,75 ГГц, 4,8 ГГц и 4,85 ГГц......... 93

5.10 Зависимости усредненных значений ОСШ на приемнике беспроводной системы с РИП с компенсацией и без по рабочей полосе от интенсивности дождя R для алгоритмов настройки NBL и RFocus и теоретической верхней границы (ВГ)....... 94

Список таблиц

2.1 Размеры ЭЯ..............................................................39

3.1 Диэлектрические свойства и физические характеристики материалов для 3Э-печати для радиочастотных применений ... 51

3.2 Сравнение методов метализации для 3Э-печатных РЧ применений 54

3.3 Экспериментально полученные значения £з0 и 3Э-печатного пластика..................................................................61

3.4 Размеры 3Э-печатной и традиционной ЭЯ ..........................64

4.1 Параметры ЭЯ без покрытия..........................................73

4.2 Параметры материалов покрытия....................................74

4.3 Допустимые параметры покрытия для исследуемой ЭЯ............78

5.1 Размеры ЭЯ..............................................................87

5.2 Значение коэффициентов аппроксимации............................89

Приложение А

Акты о внедрении результатов диссертации

о внедрении теоретических и практических результатов диссертационной работы Тярина A.C. «Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, при разработке НИР, проводимых ИППИ РАН

Теоретические и практические результаты диссертационной работы Тярина A.C. «Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей», а именно: 1) гибридная модель элементарной ячейки реконфигурируемой интеллектуальной поверхности с фазовыми сдвигами и эффективной площадью рассеяния, рассчитанными в среде моделирования СВЧ структур CST Microwave Studio; 2) метод увеличения ширины рабочей полосы элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей с помощью использования 3 D-печатного пластика из HIPS с воздушными полостями; 3) метод компенсации влияния покрытия реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей на амплитудно- и фазо-частотные характеристики их элементарных ячеек; 4) метод компенсации влияния дождя различной интенсивности на амплитудно- и фазо-частотные характеристики элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей - были использованы в рамках выполнения НИР по следующим проектам:

- проект «Разработка технологии H-MIMO для будущих систем беспроводной связи» (соглашение № 25-49-00232) Российского научного фонда;

- проект «Разработка и анализ методов обеспечения заданного качества обслуживания трафика в сетях Индустриального Интернета вещей» по теме Государственного задания № FFNU-2022-0035;

- проект «Методы обеспечения сверхнадежной связи с малой задержкой для высокоавтоматизированных транспортных средств и беспилотных летательных аппаратов» по теме Государственного задания № FFNU-2025-0030.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича

Российской академии наук

(ИППИ РАН)

АКТ

Руководитель отдела телекоммуникационных систем и информационных технологий, к.т.н.

Федеральное государственное автоном образовательное учреждение высшего образования

«I Национальный исследовательский В. Балышев

университет V : "••.. - 'Vf

Высшая школа экономики» \ « (/Я » (НИУ ВШЭ)

ВШЭ

о внедрении теоретических и практических результатов диссертационной работы Гярина A.C.

«Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, при разработке НИР. проводимых НИУ ВШЭ

Теоретические и практические результаты диссертационной работы Тярина A.C. «Методы проектирования и оценки характеристик элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей», а именно: 1) модель элементарной ячейки реконфигурируемой интеллектуальной поверхности в среде имитационного моделирования QuaDRiGa; 2) методика изготовления элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей с помощью использования Зй-печати; 3) оценка влияния защитного покрытия реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей на амплитудно- и фазо-частотные характеристики их элементарных ячеек; 4) метод оценки влияния дождя различной интенсивности на амплитудно- и фазо-частотные характеристики элементарных ячеек реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей - были использованы в рамках выполнения НИР по следующим проектам:

- проект «Методы повышения качества передачи данных беспроводных локальных сетей с помощью внешних управляемых отражателей» по теме Государственного задания № НИОКТР 123042500050-8;

- проект «повышение производительности беспроводных сетей с помощью реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей» по теме Государственного задания № НИОКТР 124022000101-3;

- проект «Разработка, формализация и анализ моделей реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) для сетей связи 6G» по теме Государственного задания № НИОКТР 125031803875-3

Научный руководитель МИЭМ д.т.н., профессор

/ Е.А. Крук