多波束/渦旋波束天線技術

新一代信息技術

（一）項目背景

本項目源自無線通信系統中多波束天線設計實際技術需求。多波束系統具有高角度選擇性，可以實現頻率復用，即同一個頻段在不同空間內得到重復利用，能夠大幅度提高信道容量。傳統相控陣天線系統中的移相器、衰減器成本高昂，能效較低，難以民用。常用替代方案有無源矩陣網絡陣列天線和拋物面天線系統。但陣列天線的饋電網絡隨著天線數量的增加會更加復雜，并帶來嚴重的損耗問題；而拋物面天線系統雖然性能優良，但其體積相對較大、笨重，不利于集成。因此，提高多波束天線系統的效率、簡化結構、降低成本是迫切需要解決的關鍵科技問題。

（二）項目簡介

本項目提供一種用于無線通信系統中的多波束低造價超表面天線。當每個波束獨立工作時，通過切換波束實質上實現了波束掃描。雷達、衛星通信、新一代移動通信都需要波束掃描或多波束天線提高通信容量和覆蓋靈活性。超表面具有調控電磁波的極化、傳播和空間分布的能力，將電磁超表面與天線設計相結合，有效避免了復雜網絡設計、成本較低、設計靈活。研究基于電磁超表面的高效率、低成本的多波束天線是解決上述問題的一個重要設計方向。

（三）關鍵技術

該項目利用超表面的靈活相位調控，實現多個波束的產生，涉及到的關鍵技術包括多波束天線以及渦旋波生成技術。

1.多波束技術。多波束天線具有高增益、低副瓣以及可在較寬范圍內波束掃描等優點，廣泛應用于雷達系統、衛星通信以及 5G 通信等技術領域，在滿足輻射性能要求的同時還要考慮成本、可靠性、體積等因素。其中，多波束拋物面天線、多波束相控陣天線、多波束透鏡天線等應用最為廣泛。拋物面天線增益高、結構簡單，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，然而大規模的有源相控陣制造成本高，難以大量應用；多波束透鏡天線具有頻帶寬、波束覆蓋范圍廣、結構簡單、成本低等優點，基于電磁超表面的透射陣易于加工、剖面低，具有較為廣泛的應用。利用電磁超表面可以實現對電磁波波前相位的靈活調控，高增益多波束透射陣天線由 90°極化旋轉超表面單元組成，該超表面單元可以同時完成極化旋轉和相位補償。將 5 個線極化平面饋源以空間饋電形式安裝，5 個平面饋源分別獨立饋電可以形成 5 個不同指向的波束，從而完成波束掃描。該天線剖面較低，采用空饋技術使得饋電網絡簡單，整個天線質量輕，便于安裝，是無線通信系統中天線端可取的方案。

2.渦旋波生成技術。在微波射頻波段產生渦旋電磁波，常用方法通常為螺旋相位板、反射面和環形陣列天線，螺旋相位板成本高、體積大，產生渦旋波效率低，不利于遠距離傳輸；反射面容易設計、效率高，但加工較為困難且體積較大，限制了應用范圍；環形陣列天線可以調節陣元間相位差以產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，但饋電網絡設計較為復雜，不利于大規模推廣。

基于人工電磁表面的天線技術近年來發展迅速，超表面是由亞波長單元在特定平面或曲面通過周期排列構成，其厚度小于工作波長。超表面與傳統材料相比，其功能上的優勢體現為可以對照射到其表面的電磁波傳播特性和反射特性進行靈活調控，即對透射波和反射波的幅度分布、相位分布、極化狀態的靈活控制，使波束在電磁表面上形成 exp(-jlφ)的相位分布，就可產生 OAM 渦旋電磁波束。由于每個電磁表面單元的相位都具有獨立調整的能力，因此設計自由度大，能產生模態純凈的 OAM 渦旋電磁波束，同時超表面天線的剖面通常很低，占用空間小，平面印刷結構也大幅降低結構設計的復雜性，同時由于不需要饋電網絡，也不存在饋電損耗，容易實現較高的口徑利用效率。

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