小衛星測控通信一體化透射陣天線設計

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 電子信息工程學院,北京 100191;2.深圳北航新興產業技術研究院,廣東 深圳 518000;3.航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

0 引言

隨著5G、6G等技術的不斷發展,無線通信以及航空航天等行業迫切需要具備高增益、寬頻帶、輕質量等優良特性的天線[1-2]。然而,傳統的透鏡天線以及相控陣天線通常體積龐大、質量笨重、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],超材料領域技術的相關研究不斷發展,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)為高增益、寬頻帶、輕質量的天線設計開辟了新的方向。其具備傳統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,又有一些獨特的優勢:具備軟件可編程特性,可以動態控制電磁波,進行實時調控;對電磁波的信號調控多為無源控制,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,就能實現低功耗與低熱噪聲;可根據饋源與超表面天線的應用需求,設計為反射型與透射型,具有廣泛的應用場景[4-6];具備質量輕、結構簡單易擴展的優勢,易于部署。因此,智能超表面引起了研究者的廣泛關注。

在當前的衛星通信遙感一體化技術研究中,大多仍采用二維平面電磁波進行信息傳遞。而隨著技術不斷發展,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),可以利用它區別于傳統平面波的優良特性,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雜的結構,安全性會比平面波更好。不同模態相互正交的特性,也使得基于渦旋波的系統容易有更強的抗干擾能力,即使不同的模態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、感知等領域具有獨特優勢,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,渦旋波可以用于衛星通信遙感領域,從而與傳統平面波技術相輔相成,完善該領域的研究與發展。

本文提出了一種可用于衛星通信和衛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超表面天線,可產生不同模態、增益良好的渦旋波,并且利用重構功能,實現超過60°范圍的不同模態渦旋波的波束掃描。結合渦旋波的特點,該天線可用于衛星通信遙感一體化等技術的研究,為通信衛星和遙感衛星天線的可重構、輕量化設計提供一種新的方案。

1 超表面單元結構分析與設計

考慮到波束掃描與模態重構的需求,所設計的超表面天線應該具備重構功能。結合不同可重構器件的優缺點,綜合考慮增益、調控能力、插入損耗等因素,本文的超表面設計采用帶有PIN管的透射型超表面單元,從而可以實現1 bit相位調控。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,便于實現對電磁波的靈活調控[12-13]。

所設計的單元結構如圖1所示。該單元由兩層介質板與三層金屬構成,結構1是金屬層(接地層),頂層與底層金屬層均由一個金屬方環和一條矩形金屬貼片組成,即圖中的結構2,結構3為介質層。在整個單元中心的介質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相位調控單元模型圖Fig.1 1 bit phase control unit model

該單元介質基板為邊長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的矩形構成。在仿真中直接采取中心矩形貼片與方環的不同連接方式模擬PIN管電路,即頂層矩形貼片與方環的一個寬邊直接相連模擬PIN管導通狀態,另一端不直接相連模擬PIN管的斷開狀態。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構的單元,從而形成1 bit相位調控單元。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,且二者在12 GHz時增益均在-2 dB以上,并且十分接近,所以該單元設計增益滿足實際需求。

圖2 單元1的S21參數增益隨頻率變化圖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單元的設計方案。結合二者的突變相位值與1 bit相位調控的量化規律,進行后續的陣面組成。

圖4 單元1的S21參數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 超表面天線仿真結果與分析

依據渦旋波相位與模態的特點、偏饋相位補償原理、波束偏轉理論等原理,按照超表面天線產生不同模態渦旋波及不同掃描角度時各位置的補償相位需求,設置相應的1 bit相位調控單元,并結合簡易角錐喇叭,進行整體仿真,檢驗產生的不同模態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,其中結構1為角錐喇叭,結構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模態渦旋波的情況,由第一象限逆時針旋轉一周,相位經歷了360°的變化,且方向也符合+1模態渦旋波的相位變化方向。

圖7 +1模態渦旋波相位分布圖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,符合渦旋波有發散角的情況,由圖9也可以進一步看出發散角在13°左右,增益與圖8結果相同。

圖8 +1模態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模態天線E面遠場增益圖Fig.9 +1 mode antenna E plane far-field gain

對+2模態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模態渦旋波規律,由圖11可以看出,其峰值增益達到12.3 dB。綜合對比兩模態情況,相較于+1模態的渦旋波,+2模態渦旋波發散角更大,達到22°左右。

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

圖12 +1模態+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-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、+2兩種模態渦旋波的不同角度波束掃描的增益、實際偏轉角度等結果進行匯總,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

結合以上結果,該超表面可產生兩種模態渦旋波,+1模態波束在±30°內、+2模態波束在±20°內波束掃描情況較為理想,考慮到掃描的實際應用,在部分掃描時兩模態均有整體超過60°的掃描能力,且增益均在10 dB以上。

3 結束語

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