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無(wú)線信號(hào)如何通過(guò)射頻傳輸

是德科技KEYSIGHT ? 來(lái)源:是德科技KEYSIGHT ? 2025-01-22 10:39 ? 次閱讀

我是個(gè)射頻工程師,大家都叫我李工。當(dāng)我剛畢業(yè)入行時(shí),我問(wèn)前輩,“什么是射頻? 想做好射頻工程師應(yīng)該怎么做?”

前輩說(shuō):“你干著干著就明白了”。工作了十幾年,我參悟一二。

要想做好射頻工程師,還是得回到最初的問(wèn)題,什么是射頻?

射頻=電磁波?

“射頻”有很多“角色”

在醫(yī)療行業(yè),射頻是能夠刺激膠原蛋白產(chǎn)生、淡紋、抗老、溶脂的美容儀的高科技,某款網(wǎng)紅射頻美容儀價(jià)格 3000元+。

消費(fèi)電子行業(yè),射頻是藏在手機(jī)里傳輸4G/5GWi-Fi 信號(hào)的重要載體,一款智能手機(jī)的價(jià)格在1000-1w元+。

不僅如此,上天的衛(wèi)星,自動(dòng)駕駛里的雷達(dá)都得靠“射頻”。

我們之所以覺(jué)得射頻有點(diǎn)神秘,是因?yàn)椴荒苤苯佑醚劬Α⒂枚涓兄剿D巧漕l到底是什么?又是怎么形成的呢?

初中物理課,我們學(xué)過(guò)安培定律,電流通過(guò)導(dǎo)線會(huì)在周?chē)纱艌?chǎng)。

物理學(xué)家麥克斯韋在安培定律的基礎(chǔ)上,提出電磁波:振蕩的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng),振蕩的磁場(chǎng)又會(huì)引發(fā)電場(chǎng)的變化,二者在空間中不斷相互作用并傳播,從而形成電磁波。

射頻其實(shí)是“一部分”電磁波。

“一部分”

頻率就是衡量這“一部分”的關(guān)鍵角色。

頻率是電磁波中交變電流每秒鐘的振蕩次數(shù),單位是赫茲Hz。如圖1-1的電流波形,在1秒內(nèi)有10個(gè)周期,則其頻率為10Hz。

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(圖1-1)

廣義上,射頻是頻率范圍在3 kHz到300 GHz的電磁波。

為什么是這“一部分”呢?

射頻英文是Redio Frequency,又叫做無(wú)線電頻率,就是能傳播無(wú)線電信號(hào)的頻率。

?電磁波頻率低于100 kHz時(shí),電磁波會(huì)被地表吸收,不能形成有效的傳輸。

?電磁波頻率高于100 kHz時(shí),電磁波可以在空氣中傳播,并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射,形成遠(yuǎn)距離傳輸能力。

射頻是具有遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)能力的電磁波,2G/3G/4G/5G移動(dòng)通信信號(hào)、 Wi-Fi信號(hào)、衛(wèi)星、雷達(dá)信號(hào)等都在射頻上傳輸。射頻像一個(gè)看不見(jiàn)、摸不著的管道,無(wú)需要介質(zhì)就能傳播數(shù)據(jù),在不同介質(zhì)中傳播速率又有所不同。

射頻頻率范圍從3KHz-300GHz,相當(dāng)于交變電流一秒鐘震蕩3000次-300億次,這范圍非常大。所以,為了方便管理,相關(guān)部門(mén)又將頻率分為甚低頻、低頻、中頻、高頻……極高頻,不同頻段用途也相對(duì)不同。(如圖1-2)

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(圖1-2,中國(guó)無(wú)線電頻率劃分)

電磁波除了頻率外,還有個(gè)很重要的衡量單位——波長(zhǎng)。

波長(zhǎng)(λ)是一個(gè)震蕩周期的傳播距離,在速度一定的情況下,波長(zhǎng)和頻率成反比,λ = c / f。

?頻率就會(huì)越低,波長(zhǎng)越長(zhǎng),傳播距離越遠(yuǎn),指向性就會(huì)較弱;

?頻率越高,波長(zhǎng)越短,傳播距離越近,指向性會(huì)更強(qiáng)。

根據(jù)波長(zhǎng),射頻又被分為P波段、L波段、S波段……毫米波。(圖1-3)

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(圖1-3,電磁波波長(zhǎng)和頻率的分類(lèi))

從這里可以知道,我們常說(shuō)的毫米波其實(shí)就是波長(zhǎng)在1mm-10mm的電磁波。

這就不難理解,毫米波具備穿透力強(qiáng),但傳播距離近的特點(diǎn)。

射頻如何作為“看不見(jiàn)的管道”傳輸無(wú)線信號(hào)?

無(wú)線信號(hào)諸如,4G/5G信號(hào)是如何通過(guò)射頻傳輸?shù)哪兀?/p>

我們面對(duì)面聊天,聲音信號(hào)是通過(guò)空氣傳輸?shù)蕉洌曇羰堑皖l模擬信號(hào),這樣的信號(hào)傳遞距離有限。如果不依靠“黑科技”,想和遠(yuǎn)方的朋友、家人聊天,喊破嗓子也沒(méi)用。

那4G、5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能手機(jī)又是怎么把我們聲音傳的那么遠(yuǎn)呢?

這時(shí)候具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的射頻就登場(chǎng)了。

我們打電話、發(fā)短信,其實(shí)是聲音、圖像通過(guò)手機(jī)里的基帶單元和射頻單元“配合工作”通過(guò)一定頻率的射頻,傳輸給基站,基站再通過(guò)射頻傳送給遠(yuǎn)方的手機(jī)中。(如圖1-4)

這個(gè)一定頻率,是國(guó)家相關(guān)部門(mén)規(guī)定的頻率,在5G時(shí)代,中國(guó)移動(dòng)使用2.5 GHz至2.6 GHz,4.8GHz至4.09GHz頻率等,中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通使用3.3 GHz至3.6 GHz頻率等。

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(圖1-4,射頻信號(hào)傳輸)

信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),模擬信號(hào)是時(shí)間上連續(xù)的信號(hào),數(shù)字信號(hào)就是時(shí)間上離散的0、1信號(hào)。我們打電話時(shí),我們發(fā)出的聲音就是模擬信號(hào),但這樣的信號(hào)抗干擾能力差,頻率低,不能直接在射頻傳輸。

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(圖1-5,數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)差別)

這就要求手機(jī)里的“基帶電路”和“射頻電路”相互配合。

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(圖1-6,射頻超外差系統(tǒng))

首先我們先看基帶電路部分:

基帶電路對(duì)聲音信號(hào)“打包處理”

我們?cè)诎l(fā)快遞的時(shí)候,一般要將貨物包裝,才能保證長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸能夠不破損,不丟失,合理的包裝方式,還能更節(jié)省空間,讓貨物傳輸效率更高,基帶電路可以看作是將原始信息“打包處理”的過(guò)程。

在我們拿起手機(jī),通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)打電話時(shí)候,手機(jī)中接著電流的話筒可以把聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)規(guī)律與之相同的振蕩電流,生成模擬信號(hào),基帶單元會(huì)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、編碼成能“代表”聲音的數(shù)字信號(hào),然后再調(diào)制成更高效傳輸?shù)哪M信號(hào),給射頻電路。

①采樣:把連續(xù)的聲音信號(hào),分割成多個(gè)采樣點(diǎn)。如何采樣能保證不遺漏信息?早在1928年,奈奎斯特定理解決了如何將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的問(wèn)題。在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí),采樣之后的數(shù)字信號(hào)就能完整地保留原始信號(hào)中的信息。

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② 編碼:將這些連續(xù)的語(yǔ)音信號(hào)采樣之后要進(jìn)行編碼,轉(zhuǎn)換成0-1信號(hào)。編碼分為兩部分,信源編碼和信道編碼。

信源編碼是將聲音和畫(huà)面轉(zhuǎn)化成0、1信號(hào),比如對(duì)于音頻信號(hào),一般使用AMR語(yǔ)音編碼,對(duì)于視頻信號(hào),一般會(huì)用MPEG-4編碼(MP4),還有H.264、H.265編碼。

信道編碼是將額外的(0、1)比特?cái)?shù)據(jù)加到“信息隊(duì)列”中,對(duì)信源信號(hào)的傳輸起到一定“保護(hù)”作用。這些額外的比特?cái)?shù)據(jù)可以用于糾錯(cuò),也可以用于抗干擾,有時(shí)也作為識(shí)別或均衡所需的訓(xùn)練序列(training sequence)。在2G-5G時(shí)代用的Turbo碼、Polar碼,LDPC碼等信道編碼方式。

③ 調(diào)制:編碼好的數(shù)字信號(hào),是非常長(zhǎng)的0、1數(shù)列,這部分的調(diào)制是將已經(jīng)編碼好的數(shù)字信號(hào),通過(guò)改變“頻率、相位、振幅”調(diào)制回連續(xù)的模擬信號(hào)。

這部分調(diào)制稱(chēng)作做數(shù)字調(diào)制,一般可以分為幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK),以及QAM(正交振幅調(diào)制)等,即分別通過(guò)調(diào)整幅度、調(diào)整頻率和調(diào)整相位,以及同時(shí)調(diào)整幅度和相位來(lái)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。(如圖1-7)

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(圖1-7,數(shù)字調(diào)制方式)

QAM是使用I和Q兩路正交的模擬信號(hào)來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制比特,一般可以分為4QAM、16QAM、64QAM等,即一個(gè)符號(hào)位可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)不同,諸如16QAM可以傳輸4個(gè)比特信號(hào),64QAM可以傳輸6個(gè)比特信號(hào),QAM的階數(shù)越高,能傳輸?shù)谋忍匦盘?hào)越多,因此QAM調(diào)制具有更快的速率,更高傳輸效率。

目前5G用的編碼方式主要有QPSK、16QAM、64QAM、256QAM,Wi-Fi7的調(diào)制方式最高已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4K QAM。

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經(jīng)過(guò)采樣、編碼、調(diào)制的模擬信號(hào),讓信號(hào)的準(zhǔn)確性、抗干擾性更強(qiáng),但是頻率依然較低,達(dá)不到射頻傳輸?shù)囊螅@時(shí)候射頻電路就要開(kāi)始“工作”了。

射頻電路:接收和傳輸信號(hào)的“工廠”

手機(jī)的射頻電路一般分為發(fā)射機(jī)電路和接收機(jī)電路,發(fā)射機(jī)電路是將調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻、濾波、功率放大和天線輻射等過(guò)程,最終轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的射頻頻率并傳輸?shù)竭h(yuǎn)方基站,接收機(jī)電路是將從基站接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)的逆向過(guò)程。

組成射頻電路的射頻器件主要包括:

?混頻器:用于改變信號(hào)的頻率

?振蕩器:以特定頻率產(chǎn)生波形的設(shè)備

?濾波器:允許特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)并衰減其他頻率信號(hào)的設(shè)備

?放大器:用于增加射頻信號(hào)的功率

?天線:用于發(fā)送和接收射頻信號(hào)

在接收機(jī)電路部分,一般可以簡(jiǎn)單看作如下工作:

變頻(混頻器+振蕩器):經(jīng)過(guò)基帶電路調(diào)制的模擬信號(hào),還是低頻信號(hào),所以需要先通過(guò)上變頻變到需要的射頻頻段,通過(guò)本地振蕩器生成的高頻信號(hào)與基帶信號(hào)通過(guò)混頻器混合,生成能夠在射頻系統(tǒng)中傳輸?shù)纳漕l信號(hào)。但在上變頻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不需要的信號(hào)成分。

經(jīng)過(guò)“變頻”就可以把我們低頻的聲音信號(hào),調(diào)頻到相關(guān)部門(mén)已經(jīng)規(guī)定的“4G/5G頻率“上了。

濾波:濾波器能濾除信號(hào)通路中不需要的頻率分量,并保留需要的頻率分量,是射頻前端中的核心器件。濾波可以得到更高的頻譜效率。如果沒(méi)有濾波,將會(huì)出現(xiàn)比發(fā)送信息所需的頻譜寬得多的頻譜。濾波器可分為金屬腔體濾波器、介質(zhì)濾波器、聲學(xué)濾波器和 LC 濾波器。基于性能、成本和尺寸上的綜合考慮,聲學(xué)濾波器正作為射頻前端濾波器的主流類(lèi)型。

功放:經(jīng)過(guò)變頻、濾波的射頻信號(hào),還要通過(guò)功率放大,才能有足夠的能力經(jīng)天線向遠(yuǎn)方傳輸。功率放大器是射頻系統(tǒng)中最基本的有源器件,它具有非線性強(qiáng)、功耗大的特點(diǎn),其工作性能直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)成本。例如,功放的尺寸與效率直接關(guān)乎無(wú)線通信設(shè)備的制造成本與耗電狀態(tài);輸出功率決定了無(wú)線信號(hào)的傳播距離;線性度決定了信號(hào)失真度,決定著通信質(zhì)量。

天線:用于發(fā)射和接收電磁波,最基本的也是要依靠電磁感應(yīng)原理,通過(guò)有規(guī)律的電場(chǎng)循環(huán)產(chǎn)生可解讀的電磁波信號(hào)或通過(guò)接收電磁波信號(hào)再將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。隨著無(wú)線通信技術(shù)向更高速率、更高頻率演進(jìn),MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)多根天線發(fā)送,多根天線接收;Massive MIMO技術(shù)MIMO技術(shù)也對(duì)天線設(shè)計(jì)提出更高挑戰(zhàn)。

在實(shí)際的無(wú)線通信射頻電路中,由于要支持多個(gè)4G、5G頻段,其實(shí)要經(jīng)過(guò)多次濾波、變頻、功放的過(guò)程,才能夠滿足無(wú)線通信的頻譜、帶寬需求,真正實(shí)現(xiàn)全球通話。

手機(jī)的射頻接收電路通常是指在基站中接收射頻信號(hào)“還原成”聲音信號(hào)過(guò)程,原則上射頻接收電路是發(fā)射電路的逆過(guò)程,但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中往往更為復(fù)雜。

接收電路首先把輸入的射頻信號(hào)下變頻為中頻信號(hào),然后進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)信號(hào)和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)的能力通常難度較大,發(fā)射信號(hào)經(jīng)常被空氣噪聲、信號(hào)干擾、多徑或衰落等因素影響而遭到損壞。于此同時(shí),接收電路需要恢復(fù)載波和符號(hào)時(shí)鐘。在接收電路中, 符號(hào)時(shí)鐘的頻率和相位(或計(jì)時(shí))都必須正確,才可以保證成功地解調(diào)比特和恢復(fù)已發(fā)射信息。

射頻器件測(cè)試的“關(guān)鍵參數(shù)”都有什么?

對(duì)于放大器、天線等關(guān)鍵射頻器件,或者整個(gè)射頻系統(tǒng),如何進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試呢?一般我們會(huì)用到信號(hào)源、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,射頻信號(hào)發(fā)生器和分析儀可用于測(cè)試現(xiàn)代發(fā)射機(jī)和接收機(jī),矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以精準(zhǔn)地表征射頻前端和元器件的性能,關(guān)鍵參數(shù)包括增益、平坦度、相位噪聲、EVM、ACPR等。

增益和平坦度:功率放大器的增益定義為信號(hào)輸出幅度與信號(hào)輸入幅度的比值。射頻電路設(shè)計(jì)中,增益通常用 dB 作為單位,信號(hào)的輸入功率和輸出功率通常用 dBm 作為單位。在工作頻段內(nèi),理想的 PA 增益應(yīng)該是相同的,但是實(shí)際情況下,帶內(nèi)不同頻率,PA 增益并不相同,甚至相差很大。用帶內(nèi)最大增益與最小增益差來(lái)衡量增益平坦度。

ACPR:對(duì)于功率放大器,鄰 信 道 功 率 比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)是一項(xiàng)非常重要的衡量功率放大器線性度的指標(biāo),用于衡量主功率泄漏至鄰信道的功率量,其值越低,說(shuō)明鄰信道功率泄漏抑制得越好。

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S參數(shù):用 S 參數(shù)測(cè)量被測(cè)件(Device under Test, DUT)性能,不存在特定的開(kāi)路或者短路條件限制,同時(shí)可以避免該條件下引起的阻抗不連續(xù)而導(dǎo)致的大幅度電壓與電流波散射。不考慮功放內(nèi)部結(jié)構(gòu),整體考慮其輸入輸出端口,作為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)分析,使用 S 參數(shù)表征端口特性。例如,功率放大器的 S 參數(shù)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。在進(jìn)行測(cè)量前,需要選擇好儀器的顯示窗、掃描頻段、掃描點(diǎn)等等,然后需要使用與儀器相匹配的校準(zhǔn)件對(duì)儀器進(jìn)行 SOLT 校準(zhǔn)。SOLT 校準(zhǔn)后,開(kāi)始對(duì)功率放大器進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)量。

當(dāng)然測(cè)試的參數(shù)很多,隨著6G時(shí)代的到來(lái),對(duì)射頻器件、系統(tǒng)的要求也有更高的提升,所以,李工還有最重要的事想要告訴你:

“工欲善其事,必先利其器”

是德科技提供廣泛的信號(hào)發(fā)生器供用戶選擇,頻率覆蓋基帶到 110 GHz(如果與擴(kuò)頻器搭配使用,可進(jìn)一步擴(kuò)展到 1.1 THz)。從基礎(chǔ)功能到高級(jí)特性,每款信號(hào)發(fā)生器都為同級(jí)別產(chǎn)品樹(shù)立了性能標(biāo)桿。

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是德科技還有眾多先進(jìn)的臺(tái)式、手持、通用型和可擴(kuò)展的模塊化頻譜分析儀(信號(hào)分析儀)任您選擇,所有分析儀均配有豐富的專(zhuān)用軟件。將您的射頻頻譜分析儀提升到新的性能水平,讓頻譜分析(信號(hào)分析)變得輕而易舉。無(wú)論您的寬帶應(yīng)用是5G NR、WLAN、衛(wèi)星、雷達(dá)、電子戰(zhàn),還是您需要進(jìn)行什么頻率范圍(射頻、微波或毫米波)的測(cè)試, 是德科技的 M9484C VXG 信號(hào)發(fā)生器和 N9032B/N9042B 信號(hào)分析儀均能滿足您的需求。

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另外,全球超過(guò) 70%的工程團(tuán)隊(duì)選擇是德科技的網(wǎng)絡(luò)分析儀:

?使用 PNA 系列臺(tái)式網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的卓越性能 - 頻率高達(dá) 120 GHz,可擴(kuò)展至 1.5 THz。

?采用 ENA 網(wǎng)絡(luò)分析儀降低測(cè)試成本 - 頻率高達(dá) 53 GHz。

?利用 PXI VNA 加速多端口設(shè)備的測(cè)試 - 頻率高達(dá) 53 GHz,端口數(shù)量多達(dá) 50 個(gè)。

?以緊湊的 USB 形式獲得零功能妥協(xié)的網(wǎng)絡(luò)分析儀 - 頻率高達(dá) 53 GHz。

?使用矢量組件分析儀進(jìn)行包括 EVM 和 ACP 在內(nèi)的完整特性表征 - 頻率高達(dá) 67 GHz。

6G 對(duì)射頻系統(tǒng)提出哪些挑戰(zhàn)?

5G已經(jīng)進(jìn)入后半場(chǎng),6G即將登場(chǎng),從目前預(yù)研的成果看,6G不僅具備更高的頻段、更高的速率要求,還具有毫米波甚至太赫茲、通感一體化、智能超表面等技術(shù),這些將會(huì)為我們的工作提出新的挑戰(zhàn)。

但李工告訴你,先學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí),新技術(shù)才能迎刃而解!

通信感知一體化 (ISAC ):從字面意思可以理解,是要既具備通信又具備感知的能力。通信是基本的功能,感知可以理解為像“雷達(dá)”一樣,感知周邊環(huán)境的狀態(tài),包括位置、方向、高度、速度、距離,甚至捕捉事物的細(xì)微變化,比如人的手勢(shì),無(wú)人機(jī)行駛的方向等。雷達(dá)和傳統(tǒng)的4G/5G通信都要依靠射頻傳輸信號(hào),擁有感知功能以后,射頻系統(tǒng)不僅要傳播信息,還要通過(guò)探測(cè)和分析接收到的反射信號(hào)來(lái)進(jìn)行高精度的感知工作。對(duì)于天線來(lái)說(shuō),在大規(guī)模和超大規(guī)模天線的通信感知一體化系統(tǒng)中 ,需要進(jìn)行有效的多天線波形設(shè)計(jì),更好地利用空間分集 ,提高通信容量,從而為感知提供多樣化的空間變換信息,提升感知性能 。

智能超表面(RIS):RIS經(jīng)過(guò)電磁超材料技術(shù)發(fā)展而來(lái),電磁超材料是通過(guò)人工合成的方式,制作成的具有一定電磁性質(zhì)并且以周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列的復(fù)合材料,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),可以將 RIS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控陣來(lái)進(jìn)行發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。RIS表面上規(guī)則地排列了大量的電磁單元,通過(guò)對(duì)每個(gè)電磁單元施加控制信號(hào),可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整電磁單元的電磁性質(zhì)(如容抗、阻抗和感抗等),以完成對(duì)空間電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控,進(jìn)而智能地調(diào)整無(wú)線傳輸信道并重構(gòu)無(wú)線傳播環(huán)境超表面對(duì)電磁波的調(diào)控能力驅(qū)動(dòng)了各類(lèi)前沿電磁功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ,通過(guò)改變RIS 上每個(gè)電磁單元的相移即可實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的靈活控制。

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