小卫星测控通信一体化透射阵天线设计

白炳辰,张 岩,2,俞能杰,叶浩然,张 涛,张旭瑞

(1.北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191;2.深圳北航新兴产业技术研究院,广东 深圳 518000;3.航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

0 引言

随着5G、6G等技术的不断发展,无线通信以及航空航天等行业迫切需要具备高增益、宽频带、轻质量等优良特性的天线[1-2]。然而,传统的透镜天线以及相控阵天线通常体积庞大、质量笨重、造价高昂,难以满足市场的需求。而随着广义Snell定律的提出[3],超材料领域技术的相关研究不断发展,智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)为高增益、宽频带、轻质量的天线设计开辟了新的方向。其具备传统相控阵天线的电控波束扫描功能,使得不必利用机械装置就获取不同空间范围的信息。同时,相比于相控阵天线,又有一些独特的优势:具备软件可编程特性,可以动态控制电磁波,进行实时调控;对电磁波的信号调控多为无源控制,通常不需要引入放大器、下变频等信号处理器件与高功耗器件,就能实现低功耗与低热噪声;可根据馈源与超表面天线的应用需求,设计为反射型与透射型,具有广泛的应用场景[4-6];具备质量轻、结构简单易扩展的优势,易于部署。因此,智能超表面引起了研究者的广泛关注。

在当前的卫星通信遥感一体化技术研究中,大多仍采用二维平面电磁波进行信息传递。而随着技术不断发展,涡旋波也逐渐走入了人们的视野。涡旋电磁波是一种三维的电磁波,携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM),可以利用它区别于传统平面波的优良特性,用更高的传输速度传输信息[7]。相较于平面波,涡旋波螺旋状的波前相位使其拥有更加复杂的结构,安全性会比平面波更好。不同模态相互正交的特性,也使得基于涡旋波的系统容易有更强的抗干扰能力,即使不同的模态方向相同也不会有较强的干扰[8]。另外,携带OAM这一特点也能让它在通信、感知等领域具有独特优势,能提供新的物理自由度,使得波束由二维变成三维,在通信中,能够起到扩展信道容量、提升通信效率的作用[9];而在遥感领域,其能具备更高的成像效率,获得更多散射信息,提高隐身目标检测概率[10-11]。综上,涡旋波可以用于卫星通信遥感领域,从而与传统平面波技术相辅相成,完善该领域的研究与发展。

本文提出了一种可用于卫星通信和卫星遥感的透射超表面天线单元,并利用该单元组成了可重构超表面天线,可产生不同模态、增益良好的涡旋波,并且利用重构功能,实现超过60°范围的不同模态涡旋波的波束扫描。结合涡旋波的特点,该天线可用于卫星通信遥感一体化等技术的研究,为通信卫星和遥感卫星天线的可重构、轻量化设计提供一种新的方案。

1 超表面单元结构分析与设计

考虑到波束扫描与模态重构的需求,所设计的超表面天线应该具备重构功能。结合不同可重构器件的优缺点,综合考虑增益、调控能力、插入损耗等因素,本文的超表面设计采用带有PIN管的透射型超表面单元,从而可以实现1 bit相位调控。这种方式类似于通信原理中的量化编码理论,对不同位置单元进行量化补偿,便于实现对电磁波的灵活调控[12-13]。

所设计的单元结构如图1所示。该单元由两层介质板与三层金属构成,结构1是金属层(接地层),顶层与底层金属层均由一个金属方环和一条矩形金属贴片组成,即图中的结构2,结构3为介质层。在整个单元中心的介质层与接地层通过打孔的方式打通,并利用金属柱将顶层与底层的贴片连接,从而将电磁波进行耦合。

图1 1 bit相位调控单元模型图Fig.1 1 bit phase control unit model

该单元介质基板为边长15 mm、单层厚度1.5 mm的立方体,所用材料仍为Arlon AD270 材料,金属柱采用pec材料,金属方环为一个长8 mm、宽6 mm的矩形中心挖去一个长5 mm、宽3 mm的矩形构成。在仿真中直接采取中心矩形贴片与方环的不同连接方式模拟PIN管电路,即顶层矩形贴片与方环的一个宽边直接相连模拟PIN管导通状态,另一端不直接相连模拟PIN管的断开状态。在底层连接方式不变的前提下,通过顶层的连接方式改变,可以得到两种不同结构的单元,从而形成1 bit相位调控单元。该方案可能与实际二极管连入单元时的通断情况有一定区别,但可以达到同样的效果。

将顶层与底层方向相同的单元作为单元1,将反向的单元作为单元0。采取HFSS中的主从边界条件与Floquet端口条件对两种单元进行模拟,得到的增益如图2与图3所示。可以看出,两种单元增益曲线十分接近,虽然两种单元的3 dB带宽并不是很宽,但考虑到涡旋波生成所需的相位补偿与频率直接相关,且二者在12 GHz时增益均在-2 dB以上,并且十分接近,所以该单元设计增益满足实际需求。

图2 单元1的S21参数增益随频率变化图Fig.2 S21 parameter phase curve of unit 1 with frequency variation

图3 单元0的S21参数增益随频率变化图Fig.3 S21 parameter phase curve of unit 0 with frequency

两种单元的相位曲线如图4和图5所示。可以看出,在12 GHz时,两种单元的突变相位分别为19.5°与-156.6°,二者相差176.1°,非常接近180°,可以作为1 bit单元的设计方案。结合二者的突变相位值与1 bit相位调控的量化规律,进行后续的阵面组成。

图4 单元1的S21参数相位随频率变化曲线Fig.4 S21 parameter phase curve of unite 1 with frequency variation

图5 单元0的S21参数相位随频率变化曲线Fig.5 S21 parameter phase curve of unit 0 with frequency variation

2 超表面天线仿真结果与分析

依据涡旋波相位与模态的特点、偏馈相位补偿原理、波束偏转理论等原理,按照超表面天线产生不同模态涡旋波及不同扫描角度时各位置的补偿相位需求,设置相应的1 bit相位调控单元,并结合简易角锥喇叭,进行整体仿真,检验产生的不同模态涡旋波及超表面的波束扫描能力[14-17]。整体仿真模型如图6所示,其中结构1为角锥喇叭,结构2为阵面,整个阵面由64个单元组成,阵面呈正方形,边长为12 cm,阵面距角锥喇叭84.76 mm。

图6 +1模态涡旋波生成模型图Fig.6 +1 model of vortex wave generation

对所生成的涡旋波进行检验,首先查看其是否形成了涡旋相位。选择出射方向的一平面并观察该平面的相位分布情况,如图7所示,可以看出所得的相位符合+1模态涡旋波的情况,由第一象限逆时针旋转一周,相位经历了360°的变化,且方向也符合+1模态涡旋波的相位变化方向。

图7 +1模态涡旋波相位分布图Fig.7 +1 phase distribution of mode vortex waves

再对其增益进行检验,分别观察其远场三维增益图与E面增益图,如图8和图9所示。由图8可以看出,增益最大值为13.91 dB,且中心处有凹陷,符合涡旋波有发散角的情况,由图9也可以进一步看出发散角在13°左右,增益与图8结果相同。

图8 +1模态天线远场三维增益方向图Fig.8 +1 mode antenna far-field 3D gain direction diagram

图9 +1模态天线E面远场增益图Fig.9 +1 mode antenna E plane far-field gain

对+2模态的涡旋波进行同样的操作过程,所得的相位分布图、远场增益图分别如图10和图11所示。由图10可以看出,其相位分布基本符合+2模态涡旋波规律,由图11可以看出,其峰值增益达到12.3 dB。综合对比两模态情况,相较于+1模态的涡旋波,+2模态涡旋波发散角更大,达到22°左右。

图10 +2模态涡旋波平面相位分布图Fig.10 +2 planar phase distribution of mode vortex waves

图11 +2模态天线E面远场增益图Fig.11 +2 mode antenna E plane far-field gain

在完成了+1与+2模态涡旋波的生成与检验后,检验不同模态涡旋波的波束扫描能力,在此仅展示+1模态+20°情况的远场三维增益方向图与+2模态-10°的E面增益方向图。由图12可以看出,所产生的+1模态涡旋波相对于图8的结果,波束偏转了20°左右,峰值增益可达到14.2 dB,根据实际结果,波束偏转了23°,在可接受误差范围内。由图13可以看出,+2模态涡旋波偏转了-10°,峰值增益大于10 dB,与预期相符。

图12 +1模态+20°波束扫描情况天线远场三维增益方向图Fig.12 +1 mode +20° beam scanning antenna far-field 3D gain direction

图13 +2模态-10°波束扫描情况天线E面远场增益图Fig.13 +2 mode -10° beam scanning far-field gain of antenna E plane

对+1、+2两种模态涡旋波的不同角度波束扫描的增益、实际偏转角度等结果进行汇总,并进行整体分析,如表1所示。

表1 波束扫描情况汇总Tab.1 Summary of beam scanning

结合以上结果,该超表面可产生两种模态涡旋波,+1模态波束在±30°内、+2模态波束在±20°内波束扫描情况较为理想,考虑到扫描的实际应用,在部分扫描时两模态均有整体超过60°的扫描能力,且增益均在10 dB以上。

3 结束语

本文设计了一种工作在Ku频段可重构超表面单元,并将单元进行阵面组成,产生了两种不同模态涡旋波,且两种模态涡旋波均具备60°以上的波束扫描能力,增益均大于10 dB。相较于传统相控阵雷达,本文设计的超表面能够以较小的尺寸实现较高的增益,具备波束扫描调控能力的同时可以产生不同模态的涡旋波,支持卫星通信遥感一体化的相关研究;设计的单元也可以进行扩展,根据实际的天线尺寸、增益需求进行超表面的构造组成,具有广泛的应用场景。