电磁仿真平台释放RIS的潜力

CEMWorks，www.cemworks.com

在快速发展的无线通信领域，提高信号质量和电磁频谱覆盖范围变得越来越重要。通过精确控制单元层级的功率方向，实时引导波束以集中功率和节省带宽的能力已变得越来越重要。因此，可重构智能表面（RIS）已成为一种很有前途的解决方案，它无需任何机械组件即可满足这些新要求，从而大大增强无线通信系统的功能。

RIS由分布在相对于波长较薄的表面上的单元阵列组成。这些单元可单独控制，而整个阵列则可对电磁辐射进行空间和/或时间控制。这种结构的一种能力就是可重新配置的波束转向。然而，这种能力带来了仿真复杂性的新挑战，因为单一的远场仿真不足以描述这些表面的全部行为。

CEMWorks的Emerald是仿真和分析RIS的综合解决方案。该方案有望加快这一令人兴奋的领域的研究和开发。Emerald凭借其强大的功能，完全有能力应对以下挑战：

可定制的材料属性

RIS通常依赖于具有精确电磁特性的专用材料。求解器提供了丰富的材料模型库，使用户能够自定义介电和金属特性。有了定制这些属性的能力，研究人员就可以探索新颖的表面设计，并针对特定应用优化其性能，如波束转向、图案合成和偏振控制。

多功能几何配置

RIS的几何形状多种多样，包括平面阵列、纳米粒子阵列或具有重复图案的表面。Emerald能够适应这些不同的配置，允许用户对不同复杂程度的表面进行建模和仿真。从单元阵列到任意结构，研究人员都能准确捕捉电磁响应，并研究几何参数对RIS功能的影响。

频率范围广

了解RIS在宽频率范围内的行为对于综合分析和设计优化至关重要。Emerald支持从直流到光学频率的仿真，并能在不同频域之间无缝转换。这一功能使研究人员能够研究从直流到高频的RIS，从而开启电信、传感、成像等领域的大量应用。

先进的后期处理和可视化

分析和解释仿真结果在RIS的设计和优化中起着至关重要的作用。Emerald提供了一系列后处理工具来提取关键参数。此外，先进的可视化选项（如远场方向图的三维模型）有助于直观地了解RIS的行为。

为了展示其中的一些功能，我们实现了一种反射式RIS结构，它由160个受仿真二极管控制的谐振贴片单元组成。这些二极管控制电流是否能流向贴片，从而使反射场在谐振频率下产生180度的相对相移。该结构如图1所示。

图1 Emerald可视化工具中的RIS阵列和单元格。

由于可以控制每个可重新配置单元的相对相位，因此可以通过控制单元之间的干扰来配置总场。这种累积效应为合成和重新配置辐射方向图提供了可能。例如，图2a和图2b显示了同一表面在两种不同主波束配置下产生的两种远场反射方向图。

图2 (a)主波束偏离宽边27度时的反射远场方向图（dB）。(b)主波束偏离宽边66度时的反射远场方向图（dB）。

RIS的出现为控制和操纵电磁波提供了令人兴奋的可能性。Emerald电磁仿真软件使研究人员能够深入研究RIS结构的复杂性，准确仿真其行为并优化其性能。通过将强大的仿真能力与可定制的材料属性、多功能几何配置和先进的后处理工具相结合，Emerald为RIS的研究与应用取得突破性进展铺平了道路。