面向衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低成本超表面相控陣技術(shù)

王魯一，張子陽(yáng)，施宏宇，衣建甲，陳 娟，張安學(xué)

(西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是高通量低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，目前受到了廣泛地關(guān)注，其研究和應(yīng)用也取得了快速的進(jìn)展。通信衛(wèi)星是指在地球軌道上作為無(wú)線電通信中繼站的人造地球衛(wèi)星，通過(guò)反射或轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信地球站之間或地球站與用戶之間的通信。與其他通信體制相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣泛、不受時(shí)空約束、通信容量大、信息傳輸更加安全等優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋。

天線技術(shù)是衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)。星載天線系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生定向或可掃描的波束覆蓋地面目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)星地之間的通信連接。進(jìn)一步的，多波束方案采用多個(gè)波束對(duì)地進(jìn)行覆蓋，在提升系統(tǒng)通信容量的同時(shí)，還可極大提高系統(tǒng)等效全向輻射功率。

應(yīng)用在衛(wèi)星上的通信天線，根據(jù)其工作原理及結(jié)構(gòu)的不同，可大致分為反射面天線、透鏡天線及直接輻射式陣列天線3類[1-3]。反射面天線由于其技術(shù)成熟、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前星載通信天線中應(yīng)用最為廣泛的一類。透鏡天線利用了電磁波在不同介質(zhì)中傳播特性的不同，通過(guò)較為復(fù)雜的形狀以及材質(zhì)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)生的波束具有較好的方向性。直接輻射式陣列天線即相控陣，通過(guò)對(duì)陣元合理的幅度相位調(diào)控，其可以實(shí)現(xiàn)高度靈活的波束調(diào)控。然而，在低成本建設(shè)運(yùn)營(yíng)的背景下，上述星載天線方案或因其較為龐大的體積重量及剖面，或因其高昂的建設(shè)成本，給低軌通信衛(wèi)星的發(fā)展造成了挑戰(zhàn)。

為解決上述難點(diǎn)，本文著眼于低成本超表面相控陣技術(shù)，綜述了超表面電磁調(diào)控的機(jī)理以及實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的手段。超表面因其對(duì)電磁波幅度、相位、極化、頻率等維度強(qiáng)大的調(diào)控能力被科學(xué)界與工程界廣泛關(guān)注。由大量陣列排列的超表面單元組成的超表面天線在實(shí)現(xiàn)波束形成的基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步地引入可重構(gòu)元素，從而實(shí)現(xiàn)電磁波波束的可重構(gòu)控制。同時(shí)綜述了超表面天線波束形成的方法，包括連續(xù)相位控制法、離散相位控制法、幅度相位聯(lián)合控制法及各種優(yōu)化算法等。最后，介紹了超表面相控陣在波束形成、波束掃描、多波束產(chǎn)生中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)該技術(shù)的綜述，展望了超表面相控陣波束控制技術(shù)在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，為低成本衛(wèi)星波束控制提供技術(shù)思路和參考。

1 超表面天線波束形成方法

超表面通常指準(zhǔn)二維的人工電磁媒質(zhì)，因其厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)而稱為“表面”。該準(zhǔn)二維特性有益于降低系統(tǒng)剖面，是超表面的一個(gè)重要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通常來(lái)說(shuō)，超表面天線由一個(gè)饋源與超表面組成，經(jīng)由超表面上大量的單元產(chǎn)生特定的電磁響應(yīng)，可以調(diào)控饋源輻射至超表面上的電磁波響應(yīng)，進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)特定反射或透射波束的形成。可見，超表面天線波束形成的一個(gè)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的表面電磁響應(yīng)，即超表面天線波束形成算法。在應(yīng)用中可進(jìn)一步通過(guò)查表法或快速計(jì)算法[4]獲得所需波束的相移或幅度。

超表面的單元尺寸通常小于或遠(yuǎn)小于半波長(zhǎng)，且常組成正方形、矩陣或圓形周期陣列，也可實(shí)現(xiàn)共形的設(shè)計(jì)。在評(píng)估超表面天線波束形成算法時(shí)，可采用天線陣列法等效近似而獲得較好的效果。

1.1 唯相位波束形成

超表面單元可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位的調(diào)控，因而使用唯相位波束形成是一種較容易實(shí)現(xiàn)的方案。在衛(wèi)星應(yīng)用中，唯相位調(diào)控也有益于提高天線效率，降低能耗。首先假設(shè)饋源以平面波方式照射一個(gè)由400個(gè)單元組成的矩形超表面。如圖1(a)所示，類比天線陣的原理，可以獲得(30°，60°)出射單波束超表面口面相位分布。其形成單波束的遠(yuǎn)場(chǎng)幅度方向圖如圖1(b)所示。

圖1 超表面天線唯相波束形成方法Fig.1 Phase-only beamforming for metasurface antenna

值得注意的是，上述算法中假定超表面可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的相位調(diào)控。而實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為降低設(shè)計(jì)及加工復(fù)雜度，通常采用相位離散化的超表面結(jié)構(gòu)，以1bit和2bit離散相位超表面居多。如圖1(c)和(d)所示，相位2bit的離散化仍可實(shí)現(xiàn)較好的單波束形成，盡管由于離散誤差，造成旁瓣水平略有上升；而相位1bit的離散化則會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱角度的無(wú)關(guān)波束，影響實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用。使用球面波饋源激勵(lì)超表面，從而引入偽隨機(jī)的離散誤差可以解決這一問(wèn)題。一些文獻(xiàn)也提出了預(yù)相位的方案以避免對(duì)稱雙波束的產(chǎn)生[5]。

在雙波束以及多波束的產(chǎn)生方面，該算法將多個(gè)單波束的相位分布進(jìn)行矢量疊加，從而獲得最終的口面相位分布，仍可實(shí)現(xiàn)較好的效果。如圖1(e)和(f)所示，相位2bit的離散的雙波束產(chǎn)生受到了離散誤差的影響，但通過(guò)合理的離散區(qū)間的選擇，算法依然有效。

1.2 幅相同調(diào)波束形成

在低旁瓣等應(yīng)用中，一個(gè)可行的方案是對(duì)超表面的幅度相位進(jìn)行同時(shí)調(diào)控，在犧牲部分效率的前提下滿足旁瓣的設(shè)計(jì)需求。相關(guān)文獻(xiàn)中提出了幅度相位同時(shí)可調(diào)的超表面單元設(shè)計(jì)[6-7]，并在此基礎(chǔ)上，類比切比雪夫分布對(duì)超表面口面的幅度進(jìn)行了調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了-25dB或更低的旁瓣水平。

1.3 全息波束形成

與調(diào)控電磁波的幅度和相位不同，全息超表面在引申發(fā)展了光學(xué)全息概念的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)超表面實(shí)現(xiàn)所需表面阻抗或通過(guò)超表面記錄干涉幅度條紋等方式以實(shí)現(xiàn)電磁波束調(diào)控。其基本原理為：將超表面的饋源波束作為參考光波，將所需的目標(biāo)波束作為物光波，在超表面口徑處計(jì)算參考光波與物光波的干涉幅度并用超表面進(jìn)行記錄，或是將參考光波與物光波的干涉場(chǎng)轉(zhuǎn)換為表面阻抗的分布并用超表面進(jìn)行記錄。當(dāng)產(chǎn)生目標(biāo)波束時(shí)，用參考光波(即原定的饋源波束)照射超表面，即可獲得所需的目標(biāo)波束。

圖2 超表面天線全息波束形成方法Fig.2 Holographic beamforming for metasurface antenna

設(shè)定參考光波為一個(gè)距離超表面兩倍波長(zhǎng)高度處的球面饋源，而目標(biāo)波束則為一個(gè)指向(30°，-120°)的單波束。兩者在超表面口面處的干涉幅度經(jīng)采樣后如圖2(a)所示。當(dāng)超表面將該干涉幅度記錄后，再用一個(gè)相位中心距離超表面兩倍波長(zhǎng)的饋源進(jìn)行照射，可以得到如圖2(b)所示的遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)波束。

由于全息波束形成算法中，目標(biāo)波束可以直接給出，因而在多波束甚至更為復(fù)雜的波束形成中有著特別的優(yōu)勢(shì)。如圖2(c)和(d)所示，全息波束形成算法可以較好的獲得等幅多波束，不等幅多波束等。

1.4 其他波束形成方法

利用超表面技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束調(diào)控，包括波束形成、波束掃描、多波束、賦形波束等應(yīng)用不限于上述方法。首先，可以結(jié)合文獻(xiàn)中的各種成熟波束形成算法將其遷移應(yīng)用至超表面技術(shù)中，如文獻(xiàn)[8]中，通過(guò)梯度投影的算法實(shí)現(xiàn)了唯相位的低旁瓣波束形成，又如文獻(xiàn)[9]中，利用1bit離散相位超表面，實(shí)現(xiàn)了和差波束的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[10]利用了相位連續(xù)可調(diào)的超表面單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了賦形波束的產(chǎn)生并應(yīng)用在衛(wèi)星上。

此外，各類優(yōu)化算法也在超表面天線波束形成中展現(xiàn)出重要的作用。如在文獻(xiàn)[11]中，利用遺傳算法設(shè)計(jì)了1bit離散相位的超表面口面分布，分別實(shí)現(xiàn)了多波束、寬波束以及余割平方波束等應(yīng)用。考慮到超表面電磁響應(yīng)離散化帶來(lái)的誤差，包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法，模擬退火算法在內(nèi)的各種優(yōu)化算法在旁瓣控制，優(yōu)化波束質(zhì)量等方面的作用愈發(fā)不可或缺。

近些年來(lái)，深度學(xué)習(xí)等思想在眾多領(lǐng)域開花結(jié)果，其中也包括超表面天線領(lǐng)域[12-13]。深度學(xué)習(xí)在超表面天線波束形成中的應(yīng)用思想如下：首先設(shè)計(jì)一個(gè)架構(gòu)適當(dāng)?shù)纳疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，將超表面上各個(gè)單元獨(dú)立的電磁響應(yīng)作為輸入層，再將所需的遠(yuǎn)場(chǎng)波束進(jìn)行空間角度采樣，并作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層。接下來(lái)通過(guò)仿真或者計(jì)算獲得大量輸入輸出相對(duì)應(yīng)的樣本，作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集以得到一個(gè)參數(shù)合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，一旦完成網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，即可快速地根據(jù)任意口面分布獲得遠(yuǎn)場(chǎng)特性，或是反向地得到任意遠(yuǎn)場(chǎng)特性所對(duì)應(yīng)的口徑分布參數(shù)。

2 超表面電磁調(diào)控機(jī)理及可重構(gòu)方法

第一章中介紹了超表面天線波束形成的技術(shù)，而其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的超表面結(jié)構(gòu)，使之可以對(duì)電磁波產(chǎn)生特定的幅度及相位響應(yīng)。本章首先介紹常用的諧振型單元設(shè)計(jì)法，幾何相位型設(shè)計(jì)法以及耦合-導(dǎo)波-輻射型設(shè)計(jì)法。針對(duì)波束掃描、波束可重構(gòu)等應(yīng)用，還需要超表面口面的電磁響應(yīng)能隨控制進(jìn)行變化，因此本章還將介紹超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)的方法，包括機(jī)械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)以及特殊材料使能的可重構(gòu)等。

2.1 超表面電磁調(diào)控機(jī)理

諧振型電磁超表面單元通常由介電材料與表面印制的金屬結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)電磁波照射至超表面上時(shí)，其結(jié)構(gòu)可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng)。如圖3(a)所示，黃色部分為超表面單元金屬結(jié)構(gòu)。兩部分金屬之間的間隙可等效為分布電容，金屬部分可等效為分布電感，從而組成等效的微波電路。當(dāng)改變金屬部分的尺寸時(shí)，可以調(diào)諧各種等效分布參數(shù)，從而控制超表面單元的諧振點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控。由于諧振型結(jié)構(gòu)的特性，其工作帶寬往往受到限制，對(duì)電磁波造成的損耗也較大。

圖3 超表面電磁調(diào)控機(jī)理Fig.3 Typical types of metasurface design

幾何相位型電磁超表面單元，如圖3(b)所示，通常也由介電材料與表面印制的金屬結(jié)構(gòu)組成，但其工作原理與諧振型單元有著本質(zhì)區(qū)別。幾何相位原理指出，電磁波在極化轉(zhuǎn)換的過(guò)程中會(huì)獲得一個(gè)額外的相位變化，具有改變圓極化電磁波相位的能力。在具體的實(shí)現(xiàn)中，超表面上的金屬結(jié)構(gòu)常設(shè)計(jì)為對(duì)正交極化各向異性，當(dāng)圓極化電磁波照射至超表面時(shí)，出射的圓極化電磁波旋向會(huì)反向。進(jìn)一步的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)表面上的金屬結(jié)構(gòu)某角度后，出射的圓極化電磁波不僅旋向會(huì)反向，并且會(huì)附加一個(gè)額外的相位，其值等于兩倍的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度。由于幾何相位型的工作原理與諧振無(wú)關(guān)，其工作帶寬不受限制，文獻(xiàn)中也常見超過(guò)100%相對(duì)帶寬的工作[17-18]。

耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的提出受到了透射陣列與反射陣列的啟發(fā)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，包含一個(gè)接收電磁波的耦合層，一個(gè)傳輸電磁波的導(dǎo)波層以及一個(gè)輻射電磁波的輻射層。入射至耦合-導(dǎo)波-輻射型超表面電磁波首先被耦合層耦合為導(dǎo)波模式，然后傳輸至導(dǎo)波層。導(dǎo)波層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的相移，濾波，倍頻，功率放大等功能。經(jīng)過(guò)調(diào)制的電磁波最后由輻射層再次輻射至自由空間，完成對(duì)電磁波的調(diào)控。得益于其特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的設(shè)計(jì)自由度更大，每層結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)再進(jìn)行組合，并且可以廣泛結(jié)合成熟的微波電路設(shè)計(jì)理念。在電磁調(diào)控性能方面，耦合-導(dǎo)波-輻射型表面電磁響應(yīng)線性度高，損耗更低，同時(shí)在寬帶響應(yīng)，極化調(diào)控等設(shè)計(jì)上更為直接。

2.2 超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方法

針對(duì)低軌衛(wèi)星天線系統(tǒng)，有波束掃描，波束可重構(gòu)等應(yīng)用需求，這對(duì)天線口面電磁響應(yīng)提出了可重構(gòu)的要求。傳統(tǒng)的相控陣天線依靠大量的移相器、衰減器以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)天線口面的幅相分布，或是通過(guò)數(shù)字波束形成的方法動(dòng)態(tài)調(diào)控天線口徑狀態(tài)。對(duì)超表面技術(shù)而言，實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)可重構(gòu)的方法則更豐富，且成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法。包括機(jī)械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)以及特殊材料使能的可重構(gòu)等各種方法。最終目的均為動(dòng)態(tài)調(diào)控超表面電磁響應(yīng)，包括但不限于幅度、相位、極化、頻率等。

2.2.1 機(jī)械可重構(gòu)

機(jī)械可重構(gòu)指使用電機(jī)或其他機(jī)械結(jié)構(gòu)以重構(gòu)超表面，從而改變超表面電磁響應(yīng)的方式。如圖4(a)所示，超表面結(jié)構(gòu)上集成了微電機(jī)。微電機(jī)的工作帶動(dòng)超表面旋轉(zhuǎn)可控的角度。根據(jù)上述幾何相位原理，可對(duì)圓極化電磁波產(chǎn)生可控的相位響應(yīng)。該文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的超表面成功實(shí)現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)圓極化電磁波的聚焦。文獻(xiàn)[19]使用相似的方法，用微電機(jī)帶動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)，從而動(dòng)態(tài)控制電磁波的反射相位，實(shí)現(xiàn)了最大60°的波束偏折。

圖4 超表面響應(yīng)可重構(gòu)方法Fig.4 Reconfigurable metasurface design methods

機(jī)械可重構(gòu)本身往往不參與電磁響應(yīng)，而是通過(guò)機(jī)械控制電磁響應(yīng)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此這種方案對(duì)單元特性影響較小，控制效果較好。但由于較慢的響應(yīng)速度，以及機(jī)械系統(tǒng)較大的尺寸，其應(yīng)用受到一些限制。

2.2.2 半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)

第一章中提到，諧振型超表面單元可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng)。因此，加載半導(dǎo)體器件直接調(diào)節(jié)電路RLC參數(shù)是一類很好的手段，也是目前受到最多關(guān)注和應(yīng)用的方案。

PIN二極管是一類根據(jù)直流偏壓產(chǎn)生不同開斷特性的二極管。當(dāng)正向偏壓時(shí)，典型的PIN二極管等效為一電感和小電阻的串聯(lián)。反偏時(shí)可簡(jiǎn)單等效為一小電容和電感的串聯(lián)。當(dāng)把PIN二極管加載在超表面結(jié)構(gòu)上時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓大小讓其在正偏與反偏之間改變，即可實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)的可重構(gòu)，如圖4(b)所示。文獻(xiàn)[11]中，當(dāng)PIN二極管在正偏或反偏狀態(tài)切換時(shí)，電磁波的反射相位可產(chǎn)生180°的變化，即滿足1bit離散相位的需求。

變?nèi)荻O管工作在反偏狀態(tài)，其等效的電容值隨反偏電壓的增大而減小。利用這一特點(diǎn)，可將變?nèi)荻O管集成至超表面單元結(jié)構(gòu)中，通過(guò)改變其反偏電壓，等效的改變超表面的電磁響應(yīng)狀態(tài)。如圖4(c)所示，文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了加載變?nèi)荻O管的諧振型超表面結(jié)構(gòu)，隨著二極管容值的改變，超表面的諧振頻率也隨之改變。經(jīng)過(guò)疊層設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在5.35GHz處透射相位360°連續(xù)可調(diào)。

相比PIN二極管，雖然變?nèi)荻O管加載可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的電磁響應(yīng)控制，但其損耗較大，設(shè)計(jì)難度更高，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也更大。根據(jù)應(yīng)用需求，合理的權(quán)衡各種控制方式，是超表面可重構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)不局限于上述器件，從原理上分析，任何可以產(chǎn)生電響應(yīng)的器件均可以參與設(shè)計(jì)。如在文獻(xiàn)[21]中，作者將射頻放大器引入超表面，實(shí)現(xiàn)了反射電磁波幅度的增強(qiáng)。在文獻(xiàn)[22]中，作者將射頻倍頻器引入了耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的導(dǎo)波層，將入射電磁波倍頻后再輻射至自由空間。文獻(xiàn)[23]則將微機(jī)電系統(tǒng)引入設(shè)計(jì)中，在更小的尺度實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)控，在太赫茲等高頻場(chǎng)景下發(fā)揮重要作用。

2.2.3 特殊材料使能的可重構(gòu)

可在外界激勵(lì)下改變狀態(tài)的材料也可用于可重構(gòu)超表面的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[24]中設(shè)計(jì)了一種透射型可重構(gòu)超表面，并在頂面加載了液晶層。該液晶在低溫時(shí)排列取向平行，在高溫時(shí)取向趨于無(wú)規(guī)則，導(dǎo)致其折射率隨溫度變化。該文獻(xiàn)通過(guò)液晶的加載，實(shí)現(xiàn)了透射波束隨溫度可控的偏折。

石墨烯也被應(yīng)用在可重構(gòu)超表面的設(shè)計(jì)中。當(dāng)有電壓施加在石墨烯上時(shí)，其費(fèi)米能級(jí)將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致導(dǎo)電性的變化。根據(jù)此特征，文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一個(gè)集成石墨烯的超表面結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)控石墨烯兩端電極的電壓，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)超表面吸波的峰值。相似的，相變材料、液態(tài)金屬也被用在超表面重構(gòu)設(shè)計(jì)中。這些方案可在特定應(yīng)用背景下提供可重構(gòu)的思路。

表1從適用頻段，損耗，響應(yīng)速度，調(diào)控難度等方面對(duì)比了上述超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方案。針對(duì)目前低軌衛(wèi)星主流的Ku、Ka頻段，PIN二極管，變?nèi)荻O管以及機(jī)械重構(gòu)方案均適用。二極管可重構(gòu)方案響應(yīng)快，控制電路實(shí)現(xiàn)成本與功耗較低，相比機(jī)械可重構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)可靠性上表現(xiàn)更好。但在損耗表現(xiàn)上仍有進(jìn)一步提高的必要。

表1 超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方案對(duì)比Tab.1 Metasurface responses reconfigurable schemes comparison

3 超表面相控陣天線系統(tǒng)

第一章和第二章分別介紹了超表面天線波束控制算法以及實(shí)現(xiàn)超表面電磁調(diào)控的方法和可重構(gòu)手段。本章將從系統(tǒng)層面展開，介紹超表面相控陣在波束調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展情況。面向低軌衛(wèi)星通信應(yīng)用所急需的低成本天線系統(tǒng)，提出超表面相控陣這一技術(shù)方向。

3.1 空間饋電式超表面相控陣

3.1.1 單饋源空饋超表面相控陣

如圖5(a)所示，在空饋超表面相控陣的典型配置中，存在外部饋源，它可以是近處的喇叭天線，也可以是距離足夠遠(yuǎn)，可近似為平面波的源。而根據(jù)超表面電磁響應(yīng)的不同，可分為數(shù)字超表面相控陣與模擬超表面相控陣。根據(jù)上文介紹，可知數(shù)字超表面設(shè)計(jì)復(fù)雜度較低，損耗也更好控制，但其離散的電磁響應(yīng)會(huì)引入誤差，影響波束質(zhì)量。模擬超表面則具有連續(xù)的電磁響應(yīng)控制能力，適用于更復(fù)雜的波束控制場(chǎng)景。文獻(xiàn)[26]與文獻(xiàn)[27]分別采用數(shù)字式與模擬式超表面方案，在半空間實(shí)現(xiàn)了較好的波束掃描效果。在多波束產(chǎn)生方面，數(shù)字式與模擬式超表面相控陣也獲得了較好的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[28]和[29]均展示了單饋源空饋超表面的多波束產(chǎn)生。

值得注意的是，由于超表面設(shè)計(jì)的靈活性，電磁波不僅可以在超表面上透射或反射，也可實(shí)現(xiàn)透射反射并存，且波束均可調(diào)控。如文獻(xiàn)[30]實(shí)現(xiàn)了上下兩個(gè)半平面波束的同時(shí)產(chǎn)生與調(diào)控；文獻(xiàn)[31]則更進(jìn)一步地在全空間實(shí)現(xiàn)了波束偏折和渦旋波束的產(chǎn)生。

在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，極化復(fù)用是擴(kuò)展通信容量的一種手段。在超表面的設(shè)計(jì)中，利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性或進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)[32]，即可實(shí)現(xiàn)極化無(wú)關(guān)或雙極化的電磁響應(yīng)。使用這種設(shè)計(jì)，便可進(jìn)一步獲得極化可復(fù)用的波束。

近些年來(lái)，時(shí)間域可重構(gòu)超表面天線的概念也被提出。其技術(shù)原理參考了時(shí)間調(diào)制天線，通過(guò)在時(shí)域上周期或非周期的控制超表面電磁響應(yīng)，可對(duì)入射電磁波在頻率進(jìn)行搬移，同時(shí)形成包括基波和高次諧波在內(nèi)的多個(gè)波束。該方案有望應(yīng)用在低軌衛(wèi)星通信中多波束頻率復(fù)用上，用較低的成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波束覆蓋以及頻率復(fù)用。

圖5 空間饋電式超表面相控陣Fig.5 Spatial feeding metasurface phased array

3.1.2 多饋源空饋超表面相控陣

與3.1.1節(jié)中的超表面相控陣方案不同，也可以將多個(gè)空饋饋源與超表面進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，類似反射面天線中單饋源和多饋源的區(qū)別。多個(gè)空饋饋源的方案便于多波束的產(chǎn)生，集成多個(gè)射頻通道的饋源也有助于系統(tǒng)通信容量的進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)[34]中使用一個(gè)7端口饋源和透射型超表面實(shí)現(xiàn)了7波束的形成，每個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)饋電端口。如圖5(b)所示，文獻(xiàn)[33]中借助幾何相位型透射超表面，實(shí)現(xiàn)了21饋源21圓極化波束的產(chǎn)生。該方案為低軌通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通道獨(dú)立的多波束提供了方案。

3.1.3 折合式超表面相控陣

3.1.1與3.1.2節(jié)介紹的空間饋電式超表面天線存在系統(tǒng)剖面高的劣勢(shì)。如圖6所示的折合式超表面天線可以較好的改善這一點(diǎn)。在折合式超表面方案中，空間饋源被放置在超表面平面上，通常在中心位置(相對(duì)應(yīng)的超表面區(qū)域則被挖空)。通過(guò)在上方加載極化選擇器，可以首先將饋源輻射出的電磁波反射至超表面口面上，經(jīng)由超表面進(jìn)行波束調(diào)控和極化轉(zhuǎn)化后，再透射過(guò)極化選擇器，最終實(shí)現(xiàn)波束的形成。折合式超表面天線大幅降低了系統(tǒng)剖面高度，有利于降低低軌通信衛(wèi)星的載荷，進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度。

圖6 折合式超表面天線[35]Fig.6 Folded metasurface antenna

3.2 表面波饋電式超表面相控陣

全息超表面天線指的是利用全息波束形成技術(shù)計(jì)算口面阻抗或幅度分布的超表面。盡管全息超表面設(shè)計(jì)中，仍可將空間饋源作為參考光進(jìn)行計(jì)算[36]，但更多的設(shè)計(jì)都采用了表面波的方式作為參考光波，即在超表面口面某一位置處設(shè)置饋電結(jié)構(gòu)(常為単極子天線)，從而實(shí)現(xiàn)極低的超表面天線系統(tǒng)剖面。如圖7(a)所示，文獻(xiàn)[37]中，用全息阻抗超表面和口面中心處的點(diǎn)饋源實(shí)現(xiàn)了至多4波束的合成。

3.3 波導(dǎo)饋電式超表面相控陣

如圖7(b)所示，波導(dǎo)饋電式超表面天線將波導(dǎo)饋電與超表面設(shè)計(jì)相結(jié)合[38]，其工作原理類似漏波天線。每個(gè)超表面單元可獨(dú)立控制其漏波狀態(tài)，對(duì)輻射強(qiáng)度或相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)波束調(diào)控。文獻(xiàn)[39]集成設(shè)計(jì)了波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)以及2bit相位調(diào)控超表面單元，在Ka波段實(shí)現(xiàn)了波束掃描以及和差波束的產(chǎn)生，系統(tǒng)總體剖面僅為12mm。文獻(xiàn)[40]將波段饋電結(jié)構(gòu)與加載變?nèi)荻O管的超表面單元結(jié)合，同樣實(shí)現(xiàn)了具有一定角度范圍的波束掃描和多波束合成。相較于空間饋電方案，表面波饋電式與波導(dǎo)饋電式方案剖面低，集成度高，口面效率高。

圖7 低剖面超表面方案Fig.7 Low-profile metasurface configuration

3.4 主動(dòng)輻射式超表面相控陣

在這一類超表面天線的設(shè)計(jì)中，每個(gè)超表面單元不僅完成對(duì)電磁波的響應(yīng)，同時(shí)也作為初級(jí)的輻射源，以進(jìn)一步省去饋源，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。同時(shí)主動(dòng)輻射式超表面天線也有著更好的口面效率以及輻射效率，在星載等應(yīng)用中有較好的前景。文獻(xiàn)[41]介紹了一種主動(dòng)輻射式超表面設(shè)計(jì)，超表面單元結(jié)合幾何相位和諧振相位完成對(duì)左右旋圓極化電磁波的相位控制，同時(shí)每個(gè)單元也是一個(gè)獨(dú)立的輻射源。實(shí)現(xiàn)了左右旋圓極化波非對(duì)稱的偏折，系統(tǒng)剖面高度僅為0.07倍波長(zhǎng)。相較于傳統(tǒng)的依靠饋電網(wǎng)絡(luò)的平面陣列，該設(shè)計(jì)在單元層面完成了相位調(diào)控，具有更簡(jiǎn)化的架構(gòu)，如表2所列。

表2 衛(wèi)星通信天線技術(shù)方案對(duì)比Tab.2 Satellite communication antennas schemes comparison

為更好地對(duì)比各種衛(wèi)星通信天線技術(shù)方案，表2從成本、體積/剖面、效率以及主要性能與應(yīng)用5個(gè)方面進(jìn)行了分析。其中，超表面相控陣技術(shù)在成本以及體積方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。在高性能單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合先進(jìn)的波束形成算法，超表面相控陣技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較高的口面效率和較大的掃描范圍。在星載應(yīng)用中，可以采用充氣式或折疊式的超表面方案，從而獲得大口徑帶來(lái)的高增益優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

低成本超表面相控陣技術(shù)發(fā)展日益完善，展現(xiàn)出對(duì)電磁波多維度的強(qiáng)大調(diào)控能力。本文綜述了超表面相控陣技術(shù)及其在波束調(diào)控中的應(yīng)用。首先從唯相波束形成、全息波束形成，優(yōu)化算法波束形成等角度介紹了超表面天線波束形成的方法，之后介紹了諧振型、幾何相位型以及耦合-導(dǎo)波-輻射型超表面電磁調(diào)控的機(jī)理，以及機(jī)械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重合，以及特殊材料可重構(gòu)手段，最后介紹了多種類型的超表面相控陣系統(tǒng)在波束形成，波束掃描，多波束產(chǎn)生中的應(yīng)用。

超表面天線技術(shù)的發(fā)展提供了一種低成本波束調(diào)控的思路。其無(wú)需傳統(tǒng)相控陣中大量的射頻組件即可實(shí)現(xiàn)波束的靈活形成、掃描和多波束產(chǎn)生，可滿足低軌通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)星地、星間通信波束的需求。

針對(duì)星載應(yīng)用中的低成本超表面相控陣技術(shù)，還需對(duì)以下3個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步研究：

1)超表面功率容量研究。當(dāng)前有關(guān)超表面的研究罕見功率容量的分析，針對(duì)電磁波功率較高的場(chǎng)景，是否會(huì)對(duì)超表面設(shè)計(jì)，尤其是可重構(gòu)器件設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

2)超表面功耗研究。超表面的波束掃描需要對(duì)每一個(gè)單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，這會(huì)帶來(lái)部分功耗。盡管變?nèi)荻O管可重構(gòu)方案等具有較低的功耗，其能否適應(yīng)星載平臺(tái)也需定量研究。

3)可重構(gòu)超表面電磁特性建模與優(yōu)化研究。盡管可重構(gòu)超表面具有較好的相位響應(yīng)，但其插入損耗水平依舊較高。針對(duì)如星載應(yīng)用等總功率受限場(chǎng)景，可重構(gòu)超表面電磁特性的進(jìn)一步優(yōu)化仍具有挑戰(zhàn)。

在可展望的未來(lái)，超表面天線技術(shù)有望在低軌通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)中發(fā)揮其低成本、低剖面、高度靈活性的優(yōu)勢(shì)，為星地、星間通信系統(tǒng)提供良好的物理層基礎(chǔ)。