基于超表面的衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)進(jìn)展綜述*

韓 冷,謝文宣,龔安民,楊于飛

(武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院,西安710086)

0 引 言

衛(wèi)星具有通信覆蓋面積大、通信頻率資源豐富、通信鏈路建立迅速等優(yōu)異特點(diǎn)[1],在國防軍事、民用通信、航空海運(yùn)等多方面均有應(yīng)用。隨著功能多元化、場(chǎng)景多樣化,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面臨的高標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)需求以及用戶容納壓力也隨之增大。因此,如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無縫覆蓋,提高衛(wèi)星通信容量,已成為研究熱點(diǎn)之一。

現(xiàn)有衛(wèi)星天線主要使用反射面天線和相控陣天線,前者存在著質(zhì)量大、剖面高的問題,后者存在饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、波束掃描窄、研制成本高等問題。超表面作為一種新型電磁人工二維材料,具有天然介質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì),以其各向異性的特征提供了更多電磁波調(diào)控自由度,正逐步成為目前多個(gè)交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)和前沿。超表面理論基礎(chǔ)最早由Kuester 等人[2]提出,美國空軍于2009年在航空器上首次開展了關(guān)于超表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生固定輻射場(chǎng)的探索,而后Minatti等人[3]又開始對(duì)超表面波機(jī)理展開研究。2015年,歐洲航天局也對(duì)圓極化固定波束的星載超表面天線進(jìn)行過研究[4]。近年來重點(diǎn)關(guān)注的是超表面反射和折射問題以及其對(duì)于天線陣列匹配、輻射、波束等調(diào)控。天線性能優(yōu)劣直接影響著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的效能發(fā)揮,因此有必要針對(duì)超表面在衛(wèi)星天線中的應(yīng)用進(jìn)行梳理總結(jié),進(jìn)而為下一步研究指明方向。

本文綜述了超表面在衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)中的主要工作,總結(jié)了單純由超表面構(gòu)成的輻射天線,分析了超表面的工作原理,討論了目前超表面應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足,最后展望了基于超表面的衛(wèi)星天線應(yīng)用方向,以期為衛(wèi)星通信設(shè)計(jì)提供參考。

1 衛(wèi)星天線發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

衛(wèi)星通信天線類型包括反射面天線、平板陣列天線和相控陣天線。如圖1(a)所示,反射面天線通常其口徑效率可以達(dá)到70%以上[5],極化隔離度能達(dá)到30 dB以上,具有增益大和成本低的特點(diǎn)。平板陣列天線如圖1(b) 所示,通過調(diào)整子陣陣元數(shù)量和排布,為平板陣列天線提供了設(shè)計(jì)自由度,且其剖面可以低至30 cm以下[6]。相控陣天線剖面最低,可小于10 cm,如圖1(c),能解決移動(dòng)載體顛簸情況下的對(duì)星問題。相較于機(jī)械跟蹤,其電掃面特性也使得天線波束掃描更快。

圖1 衛(wèi)星天線Fig.1 Satellite antenna pictures

為滿足百萬公里以上的星地遠(yuǎn)距離通信,要求衛(wèi)星天線具有高增益特性。星載天線又可以分為反射面和相控陣兩種類型[7-8],其中反射面天線由饋源和反射面組成。考慮有效載荷、運(yùn)載火箭和軌道特點(diǎn),大口徑反射面天線多為可展開天線,如圖1(d)所示,具有增益高、收納性強(qiáng)的特點(diǎn)。平面相控陣天線則更具輕量型、易共形的特點(diǎn),如圖1(e)所示。

然而上述衛(wèi)星天線均存在一定問題。一方面,反射面天線口徑大、剖面高,需大體積機(jī)械結(jié)構(gòu)在3D范圍旋轉(zhuǎn)天線主體以實(shí)現(xiàn)波束控制,限制了其在空間局限載體中的應(yīng)用。此外,星載發(fā)射面天線如出現(xiàn)饋源位置失配的情況,極易造成衛(wèi)星通信鏈路的丟失。另一方面,傳統(tǒng)電子掃描相控陣需要高功耗有源射頻網(wǎng)絡(luò),存在天線饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、波束掃描寬度窄、研制成本高等問題。隨著衛(wèi)星業(yè)務(wù)拓展與天線技術(shù)不斷發(fā)展,特別是大容量寬帶業(yè)務(wù)以及應(yīng)急通信、移動(dòng)通信方面的需求不斷增加,促使衛(wèi)星天線向低剖面、多極化、多波束的方向發(fā)展。超表面以其平面結(jié)構(gòu)、易共形、低成本等特點(diǎn)成為衛(wèi)星天線的另一選擇。

2 加載超表面的衛(wèi)星天線

在衛(wèi)星通信中,天線需有高增益、寬頻帶等性能,以滿足遠(yuǎn)距離的星地通信需求。在傳統(tǒng)研究中,學(xué)者們通過增加介質(zhì)板厚度、堆疊貼片、增大天線口徑等方法設(shè)計(jì)高性能天線,但這樣做的缺點(diǎn)是會(huì)增加天線尺寸,難以符合天線小型化、低剖面的要求。而平面結(jié)構(gòu)的超表面正以其易共形、剖面低、成本低等優(yōu)勢(shì)成為學(xué)者們新的關(guān)注熱點(diǎn)。因此,學(xué)者們利用超表面設(shè)計(jì)衛(wèi)星天線,主要集中在對(duì)天線尺寸、多極化、波束控制等3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 低剖面

天線的帶寬和增益對(duì)于遠(yuǎn)距離通信和提高信息傳輸速率都很關(guān)鍵,而在保證輻射性能的同時(shí)應(yīng)滿足低剖面的要求。研究表明,在輻射天線上加載低剖面超表面可以有效拓寬通信頻帶。

Ta等人[9]設(shè)計(jì)了單點(diǎn)饋電雙截角方形圓極化貼片天線,如圖2(a)所示,在貼片上方加載4×4金屬超表面后激發(fā)了表面波,從而引入了額外諧振點(diǎn)和最小軸比點(diǎn),阻抗帶寬提高為44%,而剖面僅為0.056λ0。在此基礎(chǔ)上,Tran等人[10]將所有輻射單元印刷在單層基板上,降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本,如圖2(b)所示,超表面作為次要輻射天線包圍在圓極化貼片天線附近,表面波引起的諧振點(diǎn)使得天線阻抗帶寬提高了23%,軸比帶寬提高了19%,而天線剖面更是降低至0.05λ0。上述兩種微帶貼片天線在不外加介質(zhì)板、空氣層和金屬柱的情況下拓寬了頻帶,均具有低剖面的優(yōu)勢(shì)。但是微帶貼片天線等開放結(jié)構(gòu)在高頻段工作時(shí)具有較高的傳播損耗,影響了天線輻射效能,需要進(jìn)一步研究。

圖2 單饋電超表面天線Fig.2 Single feed metasurface antenna

此外,低剖面超表面還可以用于提高增益。Samantaray等人[11]在2021年設(shè)計(jì)了一種更為復(fù)雜的基于超表面的低剖面高性能衛(wèi)星天線,在帶有5個(gè)矩形槽的缺陷地結(jié)構(gòu)上放置切角輻射貼片天線與超表面天線。實(shí)驗(yàn)證明,輻射貼片內(nèi)的開口環(huán)諧振器減小了交叉極化輻射的表面波,提高了增益。而在貼片周圍均勻排布的超表面消除了不需要的鏡面反射,與主輻射天線相互耦合,在輻射貼片與地表面的縫隙周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布尤為強(qiáng)烈。加載超表面后,天線增益提高了近4.5 dBi,而剖面僅為0.06λ0。

除此之外,超表面已被證實(shí)可以用于衛(wèi)星有限載荷能力下的性能提升,最終構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的星際通信網(wǎng)絡(luò)[12]。Tubbal等人[13]提出了一類加載超表面的高增益S頻段立方體衛(wèi)星天線。已知現(xiàn)有S頻段平面立方體衛(wèi)星天線在2.45 GHz的最高增益只有5.96 dB,而7×6的方環(huán)諧振超表面起到了一個(gè)輻射腔的作用,將后向輻射轉(zhuǎn)而指向期望方向,提高了3.15 dBi的增益。在置于鋁制立方體衛(wèi)星基座后,總增益達(dá)到9.71 dBi。Bakkali等人[14]設(shè)計(jì)了對(duì)稱的四縫隙共面波導(dǎo)饋電衛(wèi)星天線,在2.45 GHz上達(dá)到了10.7 dBi的增益,但帶寬由原來的780 MHz降低至130 MHz。值得注意的是,其在工作頻率上有133°56′的大波束寬度角,適用于低軌道立方體衛(wèi)星通信。綜上考慮到有效載荷以及火箭運(yùn)力,加載有超表面的高增益衛(wèi)星天線可以互相通信,建立蜂群以覆蓋更多區(qū)域,增加與地面站的接觸周期以擴(kuò)大通信窗長,從而更好效力于深空通信、微波遙感等領(lǐng)域[15]。

低剖面的天線性能對(duì)比如表1所示。

表1 低剖面超表面天線性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison among low profile metasurface antennas

2.2 多極化

極化轉(zhuǎn)換是衛(wèi)星天線所需具備的主要功能之一,是提高天線性能的重要保證。超表面天線按極化轉(zhuǎn)換類型可以分為線極化轉(zhuǎn)換為正交分量(Linearly-polarized to Linearly-polarized,LTL)、左/右旋圓極化相互轉(zhuǎn)換(Circularly-polarized to Circularly-polarized,CTC)和線極化轉(zhuǎn)換為圓極化(Linearly-polarized to Circularly-polarized,LTC)3種類型。學(xué)者通過引入各向異性超材料[17]和手性超材料,利用法拉第效應(yīng)和雙折射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)極化偏轉(zhuǎn)的功能[18-20]。為了表示極化轉(zhuǎn)換的效率,引入?yún)?shù)極化轉(zhuǎn)換率(Polarization Convert Rate,PCR)評(píng)估線極化的轉(zhuǎn)換效率,其定義為

(1)

反射型超表面通常選用有高效轉(zhuǎn)換效率的單元。非對(duì)稱諧振器可以降低同極化反射,提高交叉極化反射。Ahmad等人[21]設(shè)計(jì)了具有各向異性的LTL超表面單元,頂層超表面和底層金屬地之間的反向電流產(chǎn)生了強(qiáng)磁場(chǎng),而超表面起到了高阻抗表面或人工磁導(dǎo)體的作用。其在15.63～29 GHz的頻率范圍內(nèi)PCR大于90%,且有40°的入射角不敏感特性。2022年,Shukoor等人[22]設(shè)計(jì)非對(duì)稱寬度曲折性超表面,在18.31～38.95 GHz實(shí)現(xiàn)了LTL,轉(zhuǎn)換率超過90%。而其曲線結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱寬度和周期性有著抑制高入射角度對(duì)工作頻段干擾的優(yōu)勢(shì),TE和TM分別有43°和45°的入射角穩(wěn)定度。該緊湊、寬帶、寬角度穩(wěn)定性的超表面天線適用于衛(wèi)星通信K和KA頻段。長安大學(xué)Jin等人[23]所設(shè)計(jì)的雙M與十字結(jié)構(gòu)的復(fù)合型超表面在9.85～21 GHz實(shí)現(xiàn)了LTC。超表面單元上頂角處所產(chǎn)生的的缺口用于產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn),工作帶寬為72.29%,能量轉(zhuǎn)換為98%,在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換。然而,其PCR僅有50%,轉(zhuǎn)換效率不佳,天線性能在15°內(nèi)保持良好。

Quratulain等人[24]設(shè)計(jì)了一款非對(duì)稱傳輸?shù)氖中猿砻鎲卧獙?shí)現(xiàn)LTL,上下90°旋轉(zhuǎn)的雙層開口方環(huán)諧振器破壞了Z軸方向上的對(duì)稱性,引起了強(qiáng)電磁耦合,從而提高了轉(zhuǎn)換效率,在工作頻段內(nèi)PCR大于95%,且存在30°的入射角不敏感性。武漢大學(xué)Cheng等人[25]基于各項(xiàng)異性和類法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔提出了由亞波長金屬光柵和雙層分裂圓盤構(gòu)成的CTC轉(zhuǎn)換單元,分別在4.5 GHz和7.9 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)獲得了超過99%PCR。Zhang等人[26]將具有頻率選擇性表面的十字形復(fù)合材料應(yīng)用于寬帶LTC的設(shè)計(jì)中,入射波從z軸方向照射在該超表面上時(shí),y軸方向由于金屬條的存在而呈感性,x軸呈容性,因而產(chǎn)生了不用的透射特性,導(dǎo)致兩坐標(biāo)軸上透射波存在一定的相位差。同時(shí),設(shè)計(jì)的兩種不同大小的十字形結(jié)構(gòu)提高了相位調(diào)整的自由度。在入射角小于20°的范圍內(nèi),該超表面PCR約為90%,適用于不同衛(wèi)星應(yīng)用背景下的極化轉(zhuǎn)換。

此外,還可以利于超表面實(shí)現(xiàn)多功能極化轉(zhuǎn)換。2020年,巴基斯坦國立科技大學(xué)Ahmed等人[27]設(shè)計(jì)了開有縫隙的45 °放置傘狀超表面單元,分別在2個(gè)頻段和3個(gè)頻段內(nèi)完成了LTL和CTC,轉(zhuǎn)換率均達(dá)到90%以上,并且其單元性能在45°入射角范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定。次年,Muhammad課題組[28]又設(shè)計(jì)了鐮刀型單元,在三頻段內(nèi)均內(nèi)完成LTL和LTC,轉(zhuǎn)換率也達(dá)到了90%,入射角穩(wěn)定則在30°范圍內(nèi)。多功能極化轉(zhuǎn)換的超表面使得衛(wèi)星天線更多功能性,但通常工作頻帶較窄,需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)解決。

從上述文獻(xiàn)來看,超表面極化轉(zhuǎn)換主要源于電磁偶極子的耦合共振,分析單元的表面電流能更好掌握設(shè)計(jì)原則。此外,超表面所具備的偏振不敏感特性是其對(duì)稱結(jié)構(gòu)所決定的,加之介電常數(shù)大、板薄的介質(zhì)板都能提高入射角的穩(wěn)定度。但追求高效率多功能極化轉(zhuǎn)換的同時(shí)犧牲寬帶能力,最好的辦法仍是合理設(shè)計(jì)金屬片的結(jié)構(gòu)。如何在高轉(zhuǎn)換下獲得更寬的頻帶以滿足大容量衛(wèi)星需求仍待進(jìn)一步研究。

表2列出了目前部分極化轉(zhuǎn)換超表面天線性能指標(biāo)。

表2 極化轉(zhuǎn)換超表面天線Tab.2 Polarization conversion metasurface antenna

2.3 波束控制

移動(dòng)載體要求天線能克服其行動(dòng)、搖擺、顛簸等引起的位置和狀態(tài)變化對(duì)于電磁波束指向的影響[29],而波束控制天線能為動(dòng)中通衛(wèi)星提供不間斷連接,解決共道干擾問題[30],保證了端到端無干擾、高質(zhì)量、穩(wěn)定的通信鏈路,是學(xué)者們廣泛研究的課題。一般用3 dB波束寬度作為指標(biāo)表征天線多波束的能力。

傳統(tǒng)反射面天線和相控陣天線分別存在著體積大和功耗大、成本高的問題,在通信衛(wèi)星實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。為解決該問題,受光學(xué)器件里斯利(Risley)棱鏡的啟發(fā),Afzal等人[31]于2017年首次提出了新型的加載超表面波束控制方法NFMS(Near-Field Meta-Steering)。旋轉(zhuǎn)超表面TM1和TM2兩塊無源超表面置于基天線上方,兩塊超表面的光束OA和OB傾角為固定值δ1和δ2,通過獨(dú)立旋轉(zhuǎn)與鋸齒形時(shí)間延遲軸所成夾角ψ1和ψ2。結(jié)合一階近軸估計(jì)法和矢量加法,可得

(2)

(3)

(4)

式中:OC為合成光束矢量;δi和δj為OC在i軸和j軸上的投影;θ和φ分別為整體天線的波束偏轉(zhuǎn)的俯仰角和方位角。此外,Afzal等人[32]指出,當(dāng)具有相位延遲的波束照射在超表面時(shí),需要先放置一塊時(shí)域均衡超表面TDEM以產(chǎn)生均勻相位的定向波束。文獻(xiàn)[32]提出的超表面諧振器天線的波束能夠在頂角為102°的錐形區(qū)域內(nèi)偏轉(zhuǎn)任意方向,增益變化均小于3 dB。值得注意的是,NFMS選用相位梯度超表面PGM,而其相位包裹和周期性都導(dǎo)致了所設(shè)計(jì)的天線具有較高的光柵型旁瓣,影響了主瓣方向上的性能。Singh等人[33]設(shè)計(jì)了4款旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的超表面單元,并對(duì)其在斜入射波下的性能進(jìn)行了分析。結(jié)合粒子群算法對(duì)所選4層單元進(jìn)行優(yōu)化后,所設(shè)計(jì)的天線口徑直徑為7.3 λ0,能生成偏離主軸方向100°的波束,且成功抑制了-32 dB以下的柵瓣,提高了天線性能。

2017年,清華大學(xué)Zhao等人[34]設(shè)計(jì)了一款X頻段的全金屬波束掃描天線用于高功率微波應(yīng)用,在喇叭饋源前放置兩塊由可變旋轉(zhuǎn)交叉槽單元構(gòu)成的超表面,通過CTC實(shí)現(xiàn)了相位變化,達(dá)成波束控制的目的。為滿足覆蓋180°相移和高透射幅度兩個(gè)條件,他們?cè)O(shè)計(jì)了4層金屬片。又由于波導(dǎo)的存在,超表面天線失去了平面優(yōu)勢(shì)反而變得更加笨重,提高了制造復(fù)雜度和總體成本。此外,該全金屬超表面通過圓極化轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)相位變換,有限的帶寬限制了其在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用。針對(duì)該設(shè)計(jì)理念,Ahmed等人[35]于2022年提出了全新的耶路撒冷型窄槽全金屬超表面MM替代原有的介質(zhì)板,在喇叭饋源上方放置兩塊4層全金屬超表面,實(shí)現(xiàn)了76°～84°的大頂角波束控制。無需任何機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)或介質(zhì)基板,其機(jī)械魯棒性降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度與生產(chǎn)成本,這是NFMS超表面天線往低成本、輕量化通信應(yīng)用的重大進(jìn)步。

綜上,NFMS通過同步或獨(dú)立旋轉(zhuǎn)近場(chǎng)相位變換超表面,可以實(shí)現(xiàn)俯仰角和方位角獨(dú)立的波束掃描。區(qū)別于傳統(tǒng)衛(wèi)星天線,NFMS超表面天線無需有源射頻網(wǎng)絡(luò),降低了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度與成本;在2D平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)超表面實(shí)現(xiàn)波偏轉(zhuǎn)功能而無需移動(dòng)基天線等特點(diǎn)都使NFMS在空間有限的通信衛(wèi)星中極具設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。但如何抑制由上層超表面旋轉(zhuǎn)帶來的高副瓣,確保天線在主瓣方向上的高性能仍需進(jìn)一步研究。

表3對(duì)比了NFMS超表面天線性能指標(biāo)。

表3 NFMS超表面天線性能Tab.3 Performance analysis of NFMS metasurface antenna

3 基于輻射超表面的衛(wèi)星天線

超表面除了加載在原基天線上用于提高天線的增益、帶寬等性能,學(xué)者們還設(shè)計(jì)了單純由超表面構(gòu)成的輻射天線。本節(jié)主要介紹兩種不同饋電方式的超表面天線以及新型全息液晶結(jié)構(gòu)超表面。

3.1 基片集成波導(dǎo)饋電

基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)以其準(zhǔn)閉合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能有效降低天線表面波損耗并將能量限制在某一特定區(qū)域[36],在高增益的前提下具有較低剖面。由此,學(xué)者們針對(duì)SIW饋電的超表面天線展開了大量研究。

新加坡國立大學(xué)Li等人[37]提出了一種用于寬帶工作的垂直極化SIW饋電端射超表面天線陣列,單層介質(zhì)基板的正反兩面印刷有3×3的矩形貼片且厚度僅為0.16λ0,在SIW和超表面之間引入叉指條以提供穩(wěn)定的電流耦合。通過研究超表面的傳播模式,利用特征模分析法發(fā)現(xiàn),超表面作為主要輻射天線起著多模輻射器的作用,拓寬了天線阻抗頻帶,達(dá)到37%。

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所Xu等人[38]提出了一個(gè)工作在Ka頻段的寬頻帶高增益1×8端射超表面天線陣列,通過一個(gè)集成波導(dǎo)T型結(jié)和兩個(gè)集成波導(dǎo)Y型結(jié)組陣,取消了SIW和超表面間的貼片,同時(shí)延長了介質(zhì)板,沒有擴(kuò)大超表面面積,提高增益至11.8～17.3 dBi。同年,該課題組深入比較了單層和雙層端射SIW超表面的性能,在端射處加載了另一個(gè)較小尺寸的3×3超表面,構(gòu)成了雙層超表面天線,比單層的輻射方向圖更集中,增益提高超過1.6 dBi。

2021年,空軍工程大學(xué)Bai等人[40]對(duì)SIW超表面天線增益進(jìn)行了針對(duì)性研究。首先,他們?cè)赟IW饋電上蝕刻C字縫隙,改變了腔體工作模式,激發(fā)新的諧振點(diǎn),降低了截止頻率,提高了工作帶寬。其次,在天線主體兩側(cè)加入兩排L形金屬通孔,限制能量傳播,降低旁瓣和后瓣電平。最終,該X頻段衛(wèi)星端射超表面天線前后輻射比得到了改善,最大增益為14.9 dBi,阻抗帶寬為54%,剖面僅為0.06λ0,性能優(yōu)異。

為了提高衛(wèi)星天線的帶寬和增益,主要依靠選擇合適的輻射結(jié)構(gòu)和低損耗傳輸線。基片集成波導(dǎo)是一種與平面印刷天線集成的低損耗饋線,電磁波也更容易從開放的傳輸線中輻射出去。此外,端射超表面天線具有工作頻帶寬、方向性高等優(yōu)良特性。因此,SIW端射超表面天線結(jié)合了微帶貼片和金屬波導(dǎo)的優(yōu)勢(shì),一定程度上解決了傳播帶寬窄和增益低的問題,在衛(wèi)星和無線通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

表4比較了不同SIW超表面天線性能指標(biāo)。

表4 SIW超表面天線性能Tab.4 Performance analysis of SIW metasurface antenna

3.2 縫隙耦合饋電

華南理工大學(xué)Yang等人[41]提出了具有可控饋電機(jī)制的新型雙波束超表面天線,底層由階梯阻抗線構(gòu)成了一個(gè)對(duì)稱的二端口可控饋電網(wǎng)絡(luò),通過中間層的啞鈴縫隙耦合能量激發(fā)最上層串聯(lián)電容加載的周期矩形片超表面。饋線長度和耦合槽間距構(gòu)成了調(diào)整能量幅度和相位的兩個(gè)自由度,構(gòu)成的超表面天線在±30°方向形成15 dB以下的高隔離雙波束,峰值增益達(dá)到12.8 dBi。區(qū)別于傳統(tǒng)行波縫隙激勵(lì)天線,該天線僅需0.05λ0的剖面,針對(duì)衛(wèi)星基站天線有潛在應(yīng)用,易擴(kuò)展至更高增益的多波束陣列。

2021年,Gu等人[42]通過雙頻段雙波束控制法,利用方環(huán)諧振器分別設(shè)計(jì)了高增益和緊湊型雙頻段雙波束控制超表面,通過調(diào)整縫隙寬度降低高增益型的第一旁瓣電平,兩波束分別下降至2.5 dB和7 dB。又通過減小縫隙槽和超表面單元,在饋線上增加短截線,使得隔離度提高了3.5 dB。同年,該課題組為消除長線效應(yīng)帶來的影響,利用四端口交叉饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了±45°雙極化雙波束超表面天線,生成的穩(wěn)定波束隨頻率變化小于6°,而傳統(tǒng)陣列變化范圍在19°左右。

由上述文獻(xiàn)可知,無需復(fù)雜的波束賦形網(wǎng)絡(luò)或移相器,將行波激勵(lì)的原理與高性能多波束超表面天線相結(jié)合,可以利用空間分集,在不占用額外頻率資源的基礎(chǔ)上控制各單元的幅度和相位,生成可控多頻段多波束,以達(dá)成全覆蓋提高衛(wèi)星通信容量,而基站天線也可以在鏈路效果差時(shí)順利切換至更優(yōu)路徑的能力以保障通信的順利進(jìn)行。

表5列出了本節(jié)所述天線性能指標(biāo)。

表5 天線性能分析Tab.5 Antenna performance analysis

3.3 全息液晶結(jié)構(gòu)超表面

作為一種漏波天線,全息可重構(gòu)超表面天線(Reconfigurable Holographic Surface,RHS)給衛(wèi)星通信提供了新的發(fā)展方案。在微波領(lǐng)域中,亞波長結(jié)構(gòu)的超表面單元同光學(xué)中的感光材料一般,按照全息圖案的幅度和相位調(diào)節(jié)各超表面單元,最后在期望方向上疊加形成波束。其中全息圖案是由參考波和物波相干涉而形成的,如圖3(a)所示。2017年,Kymeta公司基于超材料技術(shù)推出了全球首款用于衛(wèi)星通信的商用平板電子掃描天線[44]。該天線不包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,通過高雙折射液晶實(shí)現(xiàn)電子掃描,實(shí)現(xiàn)了75°以上的大角度波束掃描以及每秒30°的快速跟蹤能力,功耗僅有30 W,卻能提供高達(dá)10 Mb/s通信所需的帶寬。圖3(b)所示越野車上端為Kymeta設(shè)計(jì)的70 cm天線集成終端,可以在移動(dòng)載體上實(shí)現(xiàn)高通量衛(wèi)星通信。2019年,該公司Mehdipour等人[45]提出了廣角阻抗匹配的超表面結(jié)構(gòu),如圖3(c)所示,在Ku頻段上對(duì)傳輸和接收端的衛(wèi)星天線水平和垂直極化下分別提供了5 dB和3 dB的增益改善。2020年,臺(tái)灣群創(chuàng)公司同Kymeta再推出液晶超表面平板衛(wèi)星天線,無需馬達(dá)裝置就能追蹤衛(wèi)星,在功耗低的同時(shí)具有寬帶、高指向性、大角度掃描、剖面低等優(yōu)異性能,迎著5G時(shí)代,迎合未來低軌道衛(wèi)星通信的發(fā)展。同年,英國Yurduseven等人[46]提出了X頻段的全息波束超表面天線,將其運(yùn)用于1U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行全波仿真,獲得了15.5 dBi,口徑效率為41%,如圖3(d)所示。

圖3 全息可重構(gòu)超表面天線Fig.3 Holographic reconfigurable metasurface antenna

有別于傳統(tǒng)衛(wèi)星天線,例如NASA的可折疊平面反射陣天線MarCO[47]和JPL設(shè)計(jì)的ISARA[48],全息可重構(gòu)超表面天線具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

一是RHS的饋源位于印制電路板上,無需添置額外鏈路,規(guī)避了繁雜的饋源部署機(jī)制。

二是有效利用了超表面單元小體積的優(yōu)勢(shì),減輕了耦合帶來的不良影響,更具波束成形的能力。

三是在同一物理孔徑上交錯(cuò)放置收發(fā)元件并獨(dú)立控制,為移動(dòng)載具或固定設(shè)施上的寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接提供了高可靠性、低功耗和高數(shù)據(jù)吞吐量。

4 結(jié)束語

本文介紹的加載超表面的衛(wèi)星天線具有低剖面、多極化、波束控制的優(yōu)勢(shì),符合目前發(fā)展趨勢(shì)與設(shè)計(jì)要求。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和超強(qiáng)的電磁波調(diào)控能力,超表面在衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)中有著廣闊的應(yīng)用前景,譬如通過衛(wèi)星通信解決飛機(jī)航行期間與運(yùn)營商的高寬帶數(shù)據(jù)連接,滿足商業(yè)海事市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)的激增需求,以及各國之間貨運(yùn)、鐵路等的互聯(lián)網(wǎng)接入和遠(yuǎn)程信息處理。

超表面在衛(wèi)星天線中的應(yīng)用已有一定的進(jìn)展,但針對(duì)性能提高和實(shí)際需求仍有研究空間。關(guān)于星載可折疊超表面天線存在問題,隨著平面反射陣天線于立方體衛(wèi)星上在軌實(shí)驗(yàn)成功[47-48],超表面解決了饋源失配帶來的斷鏈問題,但是鉸鏈折疊處的不平整度影響的天線性能仍有待研究。關(guān)于實(shí)際應(yīng)用問題,可根據(jù)需求設(shè)計(jì)有源可重構(gòu)天線,提高現(xiàn)役基站天線和在軌星載天線的適應(yīng)能力。