多波束/渦旋波束天線(xiàn)技術(shù)
(一)項(xiàng)目背景
本項(xiàng)目源自無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中多波束天線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)際技術(shù)需求。多波束系統(tǒng)具有高角度選擇性,可以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用,即同一個(gè)頻段在不同空間內(nèi)得到重復(fù)利用,能夠大幅度提高信道容量。傳統(tǒng)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)中的移相器、衰減器成本高昂,能效較低,難以民用。常用替代方案有無(wú)源矩陣網(wǎng)絡(luò)陣列天線(xiàn)和拋物面天線(xiàn)系統(tǒng)。但陣列天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò)隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加會(huì)更加復(fù)雜,并帶來(lái)嚴(yán)重的損耗問(wèn)題;而拋物面天線(xiàn)系統(tǒng)雖然性能優(yōu)良,但其體積相對(duì)較大、笨重,不利于集成。因此,提高多波束天線(xiàn)系統(tǒng)的效率、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本是迫切需要解決的關(guān)鍵科技問(wèn)題。
(二)項(xiàng)目簡(jiǎn)介
本項(xiàng)目提供一種用于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的多波束低造價(jià)超表面天線(xiàn)。當(dāng)每個(gè)波束獨(dú)立工作時(shí),通過(guò)切換波束實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了波束掃描。雷達(dá)、衛(wèi)星通信、新一代移動(dòng)通信都需要波束掃描或多波束天線(xiàn)提高通信容量和覆蓋靈活性。超表面具有調(diào)控電磁波的極化、傳播和空間分布的能力,將電磁超表面與天線(xiàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合,有效避免了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、成本較低、設(shè)計(jì)靈活。研究基于電磁超表面的高效率、低成本的多波束天線(xiàn)是解決上述問(wèn)題的一個(gè)重要設(shè)計(jì)方向。
(三)關(guān)鍵技術(shù)
該項(xiàng)目利用超表面的靈活相位調(diào)控,實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束的產(chǎn)生,涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括多波束天線(xiàn)以及渦旋波生成技術(shù)。
1.多波束技術(shù)。多波束天線(xiàn)具有高增益、低副瓣以及可在較寬范圍內(nèi)波束掃描等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信以及 5G 通信等技術(shù)領(lǐng)域,在滿(mǎn)足輻射性能要求的同時(shí)還要考慮成本、可靠性、體積等因素。其中,多波束拋物面天線(xiàn)、多波束相控陣天線(xiàn)、多波束透鏡天線(xiàn)等應(yīng)用最為廣泛。拋物面天線(xiàn)增益高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但往往體積笨重、波束一致性差、覆蓋范圍窄,波束掃描速度較慢;相控陣天線(xiàn)采用電子掃描的工作方式,具有較高的掃描精度和較快的掃描速度,然而大規(guī)模的有源相控陣制造成本高,難以大量應(yīng)用;多波束透鏡天線(xiàn)具有頻帶寬、波束覆蓋范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),基于電磁超表面的透射陣易于加工、剖面低,具有較為廣泛的應(yīng)用。利用電磁超表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前相位的靈活調(diào)控,高增益多波束透射陣天線(xiàn)由 90°極化旋轉(zhuǎn)超表面單元組成,該超表面單元可以同時(shí)完成極化旋轉(zhuǎn)和相位補(bǔ)償。將 5 個(gè)線(xiàn)極化平面饋源以空間饋電形式安裝,5 個(gè)平面饋源分別獨(dú)立饋電可以形成 5 個(gè)不同指向的波束,從而完成波束掃描。該天線(xiàn)剖面較低,采用空饋技術(shù)使得饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單,整個(gè)天線(xiàn)質(zhì)量輕,便于安裝,是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中天線(xiàn)端可取的方案。
2.渦旋波生成技術(shù)。在微波射頻波段產(chǎn)生渦旋電磁波,常用方法通常為螺旋相位板、反射面和環(huán)形陣列天線(xiàn),螺旋相位板成本高、體積大,產(chǎn)生渦旋波效率低,不利于遠(yuǎn)距離傳輸;反射面容易設(shè)計(jì)、效率高,但加工較為困難且體積較大,限制了應(yīng)用范圍;環(huán)形陣列天線(xiàn)可以調(diào)節(jié)陣元間相位差以產(chǎn)生精確的渦旋電磁波,是較為方便有效的方法之一,加工容易,成本較低,但饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,不利于大規(guī)模推廣。
基于人工電磁表面的天線(xiàn)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速,超表面是由亞波長(zhǎng)單元在特定平面或曲面通過(guò)周期排列構(gòu)成,其厚度小于工作波長(zhǎng)。超表面與傳統(tǒng)材料相比,其功能上的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為可以對(duì)照射到其表面的電磁波傳播特性和反射特性進(jìn)行靈活調(diào)控,即對(duì)透射波和反射波的幅度分布、相位分布、極化狀態(tài)的靈活控制,使波束在電磁表面上形成 exp(-jlφ)的相位分布,就可產(chǎn)生 OAM 渦旋電磁波束。由于每個(gè)電磁表面單元的相位都具有獨(dú)立調(diào)整的能力,因此設(shè)計(jì)自由度大,能產(chǎn)生模態(tài)純凈的 OAM 渦旋電磁波束,同時(shí)超表面天線(xiàn)的剖面通常很低,占用空間小,平面印刷結(jié)構(gòu)也大幅降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,同時(shí)由于不需要饋電網(wǎng)絡(luò),也不存在饋電損耗,容易實(shí)現(xiàn)較高的口徑利用效率。
西安電子科技大學(xué)
2023-07-20