[發(fā)明專利]基于周期性粗糙金屬表面的太赫茲通信系統(tǒng)及其通信方法

有效

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• 申請日: 2021-11-11
• 公開（公告）號: CN114070417B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設計）人: 李沛安;馬建軍;王建琛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H04B13/00
• 分類號: H04B13/00
• 代理公司: 成都方圓聿聯(lián)專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 鄧永紅

本發(fā)明涉及一種基于周期性粗糙金屬表面的太赫茲通信系統(tǒng)及其通信方法，太赫茲通信系統(tǒng)和粗糙周期金屬面；太赫茲通信系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端；發(fā)送端，發(fā)射信號，并傳播；接收端，捕捉信號，并處理；粗糙周期金屬面，用于對信號進行反射和散射。本發(fā)明不僅可以產(chǎn)生更多的散射路徑，還可以根據(jù)需要確定路徑的方向，還可以通過多方向、多路徑傳輸，使得接收端進行信號的疊加，獲取更多的信息，提升通信的精確度。并且，本發(fā)明設計的太赫茲級粗糙表面屬于輕量級，具有很高的靈活性，不僅結構簡單、制造成本低，且可以減小電磁污染與能源浪費。

技術領域

本發(fā)明屬于通信技術領域，具體涉及一種基于周期性粗糙金屬表面的太赫茲通信系統(tǒng)及其通信方法。

背景技術

隨著網(wǎng)絡容量的持續(xù)增長，無線通信對數(shù)據(jù)速率的要求日益提升，這推動了太赫茲頻率下無線信道的研究。網(wǎng)絡的覆蓋能力是無線通信系統(tǒng)最重要和最基本的能力，太赫茲通信具有極高的數(shù)據(jù)速率和巨大的帶寬，使得太赫茲在未來無線通信系統(tǒng)中具有難以替代的地位。且由于其有限的傳輸距離和高定向的窄波束，使它在保密通信系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢。這是因為相比于較低的頻率，在太赫茲的窄波束范圍更難放置竊聽裝置。盡管這種高定向的窄角傳輸對于竊聽者來說是一個極具挑戰(zhàn)的環(huán)境，它也同時增加了信息傳輸?shù)娘L險：太赫茲信號對阻塞的敏感性極大的影響了高機動鏈路的覆蓋和可靠性。

太赫茲頻段還具有波長較短的特點，其波長與常見物體表面的粗糙度相當。在進行信號傳輸時，除了要經(jīng)歷自由空間衰減、分子吸收外，還會經(jīng)歷粗糙物體表面的反射或散射。由粗糙表面散射的多路徑、多方向的信號，會使得收發(fā)機鏈路之外的通信鏈路的搭建成為可能。這對于太赫茲安全通信來說是很大的挑戰(zhàn)，但同時也是機遇。國內(nèi)利用粗糙表面進行散射信號通信的研究較為匱乏，目前無相關專利提出。

低頻段的毫米波常用于室內(nèi)或室外的短距離傳輸通信，Xu等人在2002年提出了使用60GHz頻率的信號來進行多徑信道時域和空域特性的研究。他們選擇了8種不同的傳輸環(huán)境，使用長達54.7m的走廊、會議室以及停車場等地點，分別采取視距傳輸、非視距傳輸和穿透傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健＝?jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，無論是室內(nèi)還是室外，視距傳輸和來自周圍墻壁及物體(尤其是具有光滑金屬表面的物體)的反射都占據(jù)多徑傳輸?shù)闹饕煞帧６遥谶M行復合墻壁的穿透傳輸時，墻壁內(nèi)側的金屬釘，其包含不同粗糙度的表面所反射的信號強度是不同的，光滑面會產(chǎn)生強烈的反射，而粗糙周期金屬面卻會讓散射損耗變得很大。Xu等人的研究表明，在低頻毫米波下進行信道估計時，需要考慮的多徑傳輸主要依靠點對點的視線傳輸和一階反射波的傳輸，環(huán)境中常見的金屬物體會帶來反射，但粗糙的金屬表面無法對低頻毫米波信號進行有效反射，會使得信號傳輸效率降低。

低頻毫米波的波長在毫米到米的量級，而常見物體表面的粗糙度在亞毫米到毫米的量級。這意味著，當使用低頻毫米波進行傳輸時，只能通過點到點的視距傳輸和反射信號傳輸，其他信號的強度不足以進行有效解碼。這在一定程度上存在著頻譜和資源的浪費，與當前綠色低碳的通信理念不符。且僅通過視距傳輸和反射傳輸其傳輸路徑較少，當路徑中存在遮擋物時，會阻礙信號，從而導致無法及時或準確地接收信號。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于周期性粗糙金屬表面的太赫茲通信系統(tǒng)及其方法，可以增加信號利用率，擴大信號覆蓋范圍，增強通信的準確性、靈活性和安全性。

具體的技術方案：

基于周期性粗糙金屬表面的太赫茲通信系統(tǒng)，包括兩個部分：太赫茲通信系統(tǒng)和粗糙周期金屬面；

太赫茲通信系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端；

所述的發(fā)送端，使用Xilinx Vertix-7 FPGA在中頻頻率下產(chǎn)生16QAM調(diào)制信號；FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)DAC轉換為模擬信號，再經(jīng)由二次諧波混頻器將信號上變頻到射頻頻率；最后，發(fā)射信號通過太赫茲發(fā)射天線傳播；