小衛(wèi)星測控通信一體化透射陣天線設(shè)計

白炳辰,張 巖,2,俞能杰,葉浩然,張 濤,張旭瑞

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.深圳北航新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,廣東 深圳 518000;3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

0 引言

隨著5G、6G等技術(shù)的不斷發(fā)展,無線通信以及航空航天等行業(yè)迫切需要具備高增益、寬頻帶、輕質(zhì)量等優(yōu)良特性的天線[1-2]。然而,傳統(tǒng)的透鏡天線以及相控陣天線通常體積龐大、質(zhì)量笨重、造價高昂,難以滿足市場的需求。而隨著廣義Snell定律的提出[3],超材料領(lǐng)域技術(shù)的相關(guān)研究不斷發(fā)展,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)為高增益、寬頻帶、輕質(zhì)量的天線設(shè)計開辟了新的方向。其具備傳統(tǒng)相控陣天線的電控波束掃描功能,使得不必利用機械裝置就獲取不同空間范圍的信息。同時,相比于相控陣天線,又有一些獨特的優(yōu)勢:具備軟件可編程特性,可以動態(tài)控制電磁波,進行實時調(diào)控;對電磁波的信號調(diào)控多為無源控制,通常不需要引入放大器、下變頻等信號處理器件與高功耗器件,就能實現(xiàn)低功耗與低熱噪聲;可根據(jù)饋源與超表面天線的應(yīng)用需求,設(shè)計為反射型與透射型,具有廣泛的應(yīng)用場景[4-6];具備質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單易擴展的優(yōu)勢,易于部署。因此,智能超表面引起了研究者的廣泛關(guān)注。

在當前的衛(wèi)星通信遙感一體化技術(shù)研究中,大多仍采用二維平面電磁波進行信息傳遞。而隨著技術(shù)不斷發(fā)展,渦旋波也逐漸走入了人們的視野。渦旋電磁波是一種三維的電磁波,攜帶軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM),可以利用它區(qū)別于傳統(tǒng)平面波的優(yōu)良特性,用更高的傳輸速度傳輸信息[7]。相較于平面波,渦旋波螺旋狀的波前相位使其擁有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu),安全性會比平面波更好。不同模態(tài)相互正交的特性,也使得基于渦旋波的系統(tǒng)容易有更強的抗干擾能力,即使不同的模態(tài)方向相同也不會有較強的干擾[8]。另外,攜帶OAM這一特點也能讓它在通信、感知等領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢,能提供新的物理自由度,使得波束由二維變成三維,在通信中,能夠起到擴展信道容量、提升通信效率的作用[9];而在遙感領(lǐng)域,其能具備更高的成像效率,獲得更多散射信息,提高隱身目標檢測概率[10-11]。綜上,渦旋波可以用于衛(wèi)星通信遙感領(lǐng)域,從而與傳統(tǒng)平面波技術(shù)相輔相成,完善該領(lǐng)域的研究與發(fā)展。

本文提出了一種可用于衛(wèi)星通信和衛(wèi)星遙感的透射超表面天線單元,并利用該單元組成了可重構(gòu)超表面天線,可產(chǎn)生不同模態(tài)、增益良好的渦旋波,并且利用重構(gòu)功能,實現(xiàn)超過60°范圍的不同模態(tài)渦旋波的波束掃描。結(jié)合渦旋波的特點,該天線可用于衛(wèi)星通信遙感一體化等技術(shù)的研究,為通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星天線的可重構(gòu)、輕量化設(shè)計提供一種新的方案。

1 超表面單元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

考慮到波束掃描與模態(tài)重構(gòu)的需求,所設(shè)計的超表面天線應(yīng)該具備重構(gòu)功能。結(jié)合不同可重構(gòu)器件的優(yōu)缺點,綜合考慮增益、調(diào)控能力、插入損耗等因素,本文的超表面設(shè)計采用帶有PIN管的透射型超表面單元,從而可以實現(xiàn)1 bit相位調(diào)控。這種方式類似于通信原理中的量化編碼理論,對不同位置單元進行量化補償,便于實現(xiàn)對電磁波的靈活調(diào)控[12-13]。

所設(shè)計的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單元由兩層介質(zhì)板與三層金屬構(gòu)成,結(jié)構(gòu)1是金屬層(接地層),頂層與底層金屬層均由一個金屬方環(huán)和一條矩形金屬貼片組成,即圖中的結(jié)構(gòu)2,結(jié)構(gòu)3為介質(zhì)層。在整個單元中心的介質(zhì)層與接地層通過打孔的方式打通,并利用金屬柱將頂層與底層的貼片連接,從而將電磁波進行耦合。

圖1 1 bit相位調(diào)控單元模型圖Fig.1 1 bit phase control unit model

該單元介質(zhì)基板為邊長15 mm、單層厚度1.5 mm的立方體,所用材料仍為Arlon AD270 材料,金屬柱采用pec材料,金屬方環(huán)為一個長8 mm、寬6 mm的矩形中心挖去一個長5 mm、寬3 mm的矩形構(gòu)成。在仿真中直接采取中心矩形貼片與方環(huán)的不同連接方式模擬PIN管電路,即頂層矩形貼片與方環(huán)的一個寬邊直接相連模擬PIN管導(dǎo)通狀態(tài),另一端不直接相連模擬PIN管的斷開狀態(tài)。在底層連接方式不變的前提下,通過頂層的連接方式改變,可以得到兩種不同結(jié)構(gòu)的單元,從而形成1 bit相位調(diào)控單元。該方案可能與實際二極管連入單元時的通斷情況有一定區(qū)別,但可以達到同樣的效果。

將頂層與底層方向相同的單元作為單元1,將反向的單元作為單元0。采取HFSS中的主從邊界條件與Floquet端口條件對兩種單元進行模擬,得到的增益如圖2與圖3所示?？梢钥闯?兩種單元增益曲線十分接近,雖然兩種單元的3 dB帶寬并不是很寬,但考慮到渦旋波生成所需的相位補償與頻率直接相關(guān),且二者在12 GHz時增益均在-2 dB以上,并且十分接近,所以該單元設(shè)計增益滿足實際需求。

圖2 單元1的S21參數(shù)增益隨頻率變化圖Fig.2 S21 parameter phase curve of unit 1 with frequency variation

圖3 單元0的S21參數(shù)增益隨頻率變化圖Fig.3 S21 parameter phase curve of unit 0 with frequency

兩種單元的相位曲線如圖4和圖5所示?？梢钥闯?在12 GHz時,兩種單元的突變相位分別為19.5°與-156.6°,二者相差176.1°,非常接近180°,可以作為1 bit單元的設(shè)計方案。結(jié)合二者的突變相位值與1 bit相位調(diào)控的量化規(guī)律,進行后續(xù)的陣面組成。

圖4 單元1的S21參數(shù)相位隨頻率變化曲線Fig.4 S21 parameter phase curve of unite 1 with frequency variation

圖5 單元0的S21參數(shù)相位隨頻率變化曲線Fig.5 S21 parameter phase curve of unit 0 with frequency variation

2 超表面天線仿真結(jié)果與分析

依據(jù)渦旋波相位與模態(tài)的特點、偏饋相位補償原理、波束偏轉(zhuǎn)理論等原理,按照超表面天線產(chǎn)生不同模態(tài)渦旋波及不同掃描角度時各位置的補償相位需求,設(shè)置相應(yīng)的1 bit相位調(diào)控單元,并結(jié)合簡易角錐喇叭,進行整體仿真,檢驗產(chǎn)生的不同模態(tài)渦旋波及超表面的波束掃描能力[14-17]。整體仿真模型如圖6所示,其中結(jié)構(gòu)1為角錐喇叭,結(jié)構(gòu)2為陣面,整個陣面由64個單元組成,陣面呈正方形,邊長為12 cm,陣面距角錐喇叭84.76 mm。

圖6 +1模態(tài)渦旋波生成模型圖Fig.6 +1 model of vortex wave generation

對所生成的渦旋波進行檢驗,首先查看其是否形成了渦旋相位。選擇出射方向的一平面并觀察該平面的相位分布情況,如圖7所示,可以看出所得的相位符合+1模態(tài)渦旋波的情況,由第一象限逆時針旋轉(zhuǎn)一周,相位經(jīng)歷了360°的變化,且方向也符合+1模態(tài)渦旋波的相位變化方向。

圖7 +1模態(tài)渦旋波相位分布圖Fig.7 +1 phase distribution of mode vortex waves

再對其增益進行檢驗,分別觀察其遠場三維增益圖與E面增益圖,如圖8和圖9所示。由圖8可以看出,增益最大值為13.91 dB,且中心處有凹陷,符合渦旋波有發(fā)散角的情況,由圖9也可以進一步看出發(fā)散角在13°左右,增益與圖8結(jié)果相同。

圖8 +1模態(tài)天線遠場三維增益方向圖Fig.8 +1 mode antenna far-field 3D gain direction diagram

圖9 +1模態(tài)天線E面遠場增益圖Fig.9 +1 mode antenna E plane far-field gain

對+2模態(tài)的渦旋波進行同樣的操作過程,所得的相位分布圖、遠場增益圖分別如圖10和圖11所示。由圖10可以看出,其相位分布基本符合+2模態(tài)渦旋波規(guī)律,由圖11可以看出,其峰值增益達到12.3 dB。綜合對比兩模態(tài)情況,相較于+1模態(tài)的渦旋波,+2模態(tài)渦旋波發(fā)散角更大,達到22°左右。

圖10 +2模態(tài)渦旋波平面相位分布圖Fig.10 +2 planar phase distribution of mode vortex waves

圖11 +2模態(tài)天線E面遠場增益圖Fig.11 +2 mode antenna E plane far-field gain

在完成了+1與+2模態(tài)渦旋波的生成與檢驗后,檢驗不同模態(tài)渦旋波的波束掃描能力,在此僅展示+1模態(tài)+20°情況的遠場三維增益方向圖與+2模態(tài)-10°的E面增益方向圖。由圖12可以看出,所產(chǎn)生的+1模態(tài)渦旋波相對于圖8的結(jié)果,波束偏轉(zhuǎn)了20°左右,峰值增益可達到14.2 dB,根據(jù)實際結(jié)果,波束偏轉(zhuǎn)了23°,在可接受誤差范圍內(nèi)。由圖13可以看出,+2模態(tài)渦旋波偏轉(zhuǎn)了-10°,峰值增益大于10 dB,與預(yù)期相符。

圖12 +1模態(tài)+20°波束掃描情況天線遠場三維增益方向圖Fig.12 +1 mode +20° beam scanning antenna far-field 3D gain direction

圖13 +2模態(tài)-10°波束掃描情況天線E面遠場增益圖Fig.13 +2 mode -10° beam scanning far-field gain of antenna E plane

對+1、+2兩種模態(tài)渦旋波的不同角度波束掃描的增益、實際偏轉(zhuǎn)角度等結(jié)果進行匯總,并進行整體分析,如表1所示。

表1 波束掃描情況匯總Tab.1 Summary of beam scanning

結(jié)合以上結(jié)果,該超表面可產(chǎn)生兩種模態(tài)渦旋波,+1模態(tài)波束在±30°內(nèi)、+2模態(tài)波束在±20°內(nèi)波束掃描情況較為理想,考慮到掃描的實際應(yīng)用,在部分掃描時兩模態(tài)均有整體超過60°的掃描能力,且增益均在10 dB以上。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種工作在Ku頻段可重構(gòu)超表面單元,并將單元進行陣面組成,產(chǎn)生了兩種不同模態(tài)渦旋波,且兩種模態(tài)渦旋波均具備60°以上的波束掃描能力,增益均大于10 dB。相較于傳統(tǒng)相控陣雷達,本文設(shè)計的超表面能夠以較小的尺寸實現(xiàn)較高的增益,具備波束掃描調(diào)控能力的同時可以產(chǎn)生不同模態(tài)的渦旋波,支持衛(wèi)星通信遙感一體化的相關(guān)研究;設(shè)計的單元也可以進行擴展,根據(jù)實際的天線尺寸、增益需求進行超表面的構(gòu)造組成,具有廣泛的應(yīng)用場景。