作者簡介

王魯一，張子陽，施宏宇，衣建甲，

陳娟，張安學(xué)

（西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，西安 710049）

低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)因其傳輸延遲小、通信容量大、發(fā)射運營成本低等優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，低軌通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展對星載天線系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。為提高衛(wèi)星星座的通信容量以及實現(xiàn)對用戶的跟蹤覆蓋，波束掃描、波束可重構(gòu)及多波束覆蓋不可或缺。在低成本建設(shè)運營的背景下，迫切地需要一種低成本的天線系統(tǒng)方案。作為一種低成本新型相控陣技術(shù)，綜述了超表面相控陣天線技術(shù)及其在波束調(diào)控中的應(yīng)用。首先對超表面天線波束形成的方法進行了簡單的研究，之后介紹了超表面電磁調(diào)控的機理以及實現(xiàn)可重構(gòu)的手段，最后介紹了超表面相控陣天線在波束形成、波束掃描、多波束產(chǎn)生中的應(yīng)用。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)相控陣技術(shù)，大幅降低了成本，且在電磁波極化、頻率調(diào)控中展現(xiàn)出巨大的靈活性。通過對該技術(shù)的綜述，展望了超表面相控陣在低軌通信衛(wèi)星中的應(yīng)用。

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引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是高通量低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，目前受到了廣泛地關(guān)注，其研究和應(yīng)用也取得了快速的進展。通信衛(wèi)星是指在地球軌道上作為無線電通信中繼站的人造地球衛(wèi)星，通過反射或轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，實現(xiàn)衛(wèi)星通信地球站之間或地球站與用戶之間的通信。與其他通信體制相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣泛、不受時空約束、通信容量大、信息傳輸更加安全等優(yōu)勢，可以通過衛(wèi)星組網(wǎng)的方式實現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋。

天線技術(shù)是衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)。星載天線系統(tǒng)通過產(chǎn)生定向或可掃描的波束覆蓋地面目標(biāo)，從而實現(xiàn)星地之間的通信連接。進一步的，多波束方案采用多個波束對地進行覆蓋，在提升系統(tǒng)通信容量的同時，還可極大提高系統(tǒng)等效全向輻射功率。

應(yīng)用在衛(wèi)星上的通信天線，根據(jù)其工作原理及結(jié)構(gòu)的不同，可大致分為反射面天線、透鏡天線及直接輻射式陣列天線3類[1-3]。反射面天線由于其技術(shù)成熟、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，是目前星載通信天線中應(yīng)用最為廣泛的一類。透鏡天線利用了電磁波在不同介質(zhì)中傳播特性的不同，通過較為復(fù)雜的形狀以及材質(zhì)設(shè)計，使產(chǎn)生的波束具有較好的方向性。直接輻射式陣列天線即相控陣，通過對陣元合理的幅度相位調(diào)控，其可以實現(xiàn)高度靈活的波束調(diào)控。然而，在低成本建設(shè)運營的背景下，上述星載天線方案或因其較為龐大的體積重量及剖面，或因其高昂的建設(shè)成本，給低軌通信衛(wèi)星的發(fā)展造成了挑戰(zhàn)。

為解決上述難點，本文著眼于低成本超表面相控陣技術(shù)，綜述了超表面電磁調(diào)控的機理以及實現(xiàn)可重構(gòu)的手段。超表面因其對電磁波幅度、相位、極化、頻率等維度強大的調(diào)控能力被科學(xué)界與工程界廣泛關(guān)注。由大量陣列排列的超表面單元組成的超表面天線在實現(xiàn)波束形成的基礎(chǔ)上，還可進一步地引入可重構(gòu)元素，從而實現(xiàn)電磁波波束的可重構(gòu)控制。同時綜述了超表面天線波束形成的方法，包括連續(xù)相位控制法、離散相位控制法、幅度相位聯(lián)合控制法及各種優(yōu)化算法等。最后，介紹了超表面相控陣在波束形成、波束掃描、多波束產(chǎn)生中的應(yīng)用。通過對該技術(shù)的綜述，展望了超表面相控陣波束控制技術(shù)在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，為低成本衛(wèi)星波束控制提供技術(shù)思路和參考。

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超表面天線波束形成方法

超表面通常指準(zhǔn)二維的人工電磁媒質(zhì)，因其厚度遠(yuǎn)小于波長而稱為“表面”。該準(zhǔn)二維特性有益于降低系統(tǒng)剖面，是超表面的一個重要技術(shù)優(yōu)勢。通常來說，超表面天線由一個饋源與超表面組成，經(jīng)由超表面上大量的單元產(chǎn)生特定的電磁響應(yīng)，可以調(diào)控饋源輻射至超表面上的電磁波響應(yīng)，進一步地實現(xiàn)特定反射或透射波束的形成。可見，超表面天線波束形成的一個關(guān)鍵是設(shè)計合適的表面電磁響應(yīng)，即超表面天線波束形成算法。在應(yīng)用中可進一步通過查表法或快速計算法[4]獲得所需波束的相移或幅度。

超表面的單元尺寸通常小于或遠(yuǎn)小于半波長，且常組成正方形、矩陣或圓形周期陣列，也可實現(xiàn)共形的設(shè)計。在評估超表面天線波束形成算法時，可采用天線陣列法等效近似而獲得較好的效果。

1.1唯相位波束形成

超表面單元可以輕松實現(xiàn)對電磁波相位的調(diào)控，因而使用唯相位波束形成是一種較容易實現(xiàn)的方案。在衛(wèi)星應(yīng)用中，唯相位調(diào)控也有益于提高天線效率，降低能耗。首先假設(shè)饋源以平面波方式照射一個由400個單元組成的矩形超表面。如圖1（a）所示，類比天線陣的原理，可以獲得（30°，60°）出射單波束超表面口面相位分布。其形成單波束的遠(yuǎn)場幅度方向圖如圖1（b）所示。

值得注意的是，上述算法中假定超表面可以實現(xiàn)連續(xù)的相位調(diào)控。而實際的設(shè)計中，為降低設(shè)計及加工復(fù)雜度，通常采用相位離散化的超表面結(jié)構(gòu)，以1bit和2bit離散相位超表面居多。如圖1（c）和（d）所示，相位2bit的離散化仍可實現(xiàn)較好的單波束形成，盡管由于離散誤差，造成旁瓣水平略有上升；而相位1bit的離散化則會產(chǎn)生對稱角度的無關(guān)波束，影響實際系統(tǒng)應(yīng)用。使用球面波饋源激勵超表面，從而引入偽隨機的離散誤差可以解決這一問題。一些文獻也提出了預(yù)相位的方案以避免對稱雙波束的產(chǎn)生[5]。

在雙波束以及多波束的產(chǎn)生方面，該算法將多個單波束的相位分布進行矢量疊加，從而獲得最終的口面相位分布，仍可實現(xiàn)較好的效果。如圖1（e）和（f）所示，相位2bit的離散的雙波束產(chǎn)生受到了離散誤差的影響，但通過合理的離散區(qū)間的選擇，算法依然有效。

圖1超表面天線唯相波束形成方法

1.2幅相同調(diào)波束形成

在低旁瓣等應(yīng)用中，一個可行的方案是對超表面的幅度相位進行同時調(diào)控，在犧牲部分效率的前提下滿足旁瓣的設(shè)計需求。相關(guān)文獻中提出了幅度相位同時可調(diào)的超表面單元設(shè)計[6-7]，并在此基礎(chǔ)上，類比切比雪夫分布對超表面口面的幅度進行了調(diào)制，實現(xiàn)了-25dB或更低的旁瓣水平。

1.3全息波束形成

與調(diào)控電磁波的幅度和相位不同，全息超表面在引申發(fā)展了光學(xué)全息概念的基礎(chǔ)上，提出了通過超表面實現(xiàn)所需表面阻抗或通過超表面記錄干涉幅度條紋等方式以實現(xiàn)電磁波束調(diào)控。其基本原理為：將超表面的饋源波束作為參考光波，將所需的目標(biāo)波束作為物光波，在超表面口徑處計算參考光波與物光波的干涉幅度并用超表面進行記錄，或是將參考光波與物光波的干涉場轉(zhuǎn)換為表面阻抗的分布并用超表面進行記錄。當(dāng)產(chǎn)生目標(biāo)波束時，用參考光波（即原定的饋源波束）照射超表面，即可獲得所需的目標(biāo)波束。

設(shè)定參考光波為一個距離超表面兩倍波長高度處的球面饋源，而目標(biāo)波束則為一個指向（30°，-120°）的單波束。兩者在超表面口面處的干涉幅度經(jīng)采樣后如圖2（a）所示。當(dāng)超表面將該干涉幅度記錄后，再用一個相位中心距離超表面兩倍波長的饋源進行照射，可以得到如圖2（b）所示的遠(yuǎn)場目標(biāo)波束。

由于全息波束形成算法中，目標(biāo)波束可以直接給出，因而在多波束甚至更為復(fù)雜的波束形成中有著特別的優(yōu)勢。如圖2（c）和（d）所示，全息波束形成算法可以較好的獲得等幅多波束，不等幅多波束等。

圖2超表面天線全息波束形成方法

1.4其他波束形成方法

利用超表面技術(shù)實現(xiàn)波束調(diào)控，包括波束形成、波束掃描、多波束、賦形波束等應(yīng)用不限于上述方法。首先，可以結(jié)合文獻中的各種成熟波束形成算法將其遷移應(yīng)用至超表面技術(shù)中，如文獻[8]中，通過梯度投影的算法實現(xiàn)了唯相位的低旁瓣波束形成，又如文獻[9]中，利用1bit離散相位超表面，實現(xiàn)了和差波束的產(chǎn)生。文獻[10]利用了相位連續(xù)可調(diào)的超表面單元結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了賦形波束的產(chǎn)生并應(yīng)用在衛(wèi)星上。

此外，各類優(yōu)化算法也在超表面天線波束形成中展現(xiàn)出重要的作用。如在文獻[11]中，利用遺傳算法設(shè)計了1bit離散相位的超表面口面分布，分別實現(xiàn)了多波束、寬波束以及余割平方波束等應(yīng)用。考慮到超表面電磁響應(yīng)離散化帶來的誤差，包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法，模擬退火算法在內(nèi)的各種優(yōu)化算法在旁瓣控制，優(yōu)化波束質(zhì)量等方面的作用愈發(fā)不可或缺。

近些年來，深度學(xué)習(xí)等思想在眾多領(lǐng)域開花結(jié)果，其中也包括超表面天線領(lǐng)域[12-13]。深度學(xué)習(xí)在超表面天線波束形成中的應(yīng)用思想如下：首先設(shè)計一個架構(gòu)適當(dāng)?shù)纳疃?a href="http://www.asorrir.com/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將超表面上各個單元獨立的電磁響應(yīng)作為輸入層，再將所需的遠(yuǎn)場波束進行空間角度采樣，并作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層。接下來通過仿真或者計算獲得大量輸入輸出相對應(yīng)的樣本，作為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集以得到一個參數(shù)合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該方法的優(yōu)勢在于，一旦完成網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，即可快速地根據(jù)任意口面分布獲得遠(yuǎn)場特性，或是反向地得到任意遠(yuǎn)場特性所對應(yīng)的口徑分布參數(shù)。

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超表面電磁調(diào)控機理及可重構(gòu)方法

第1章中介紹了超表面天線波束形成的技術(shù)，而其實現(xiàn)的關(guān)鍵在于設(shè)計合適的超表面結(jié)構(gòu)，使之可以對電磁波產(chǎn)生特定的幅度及相位響應(yīng)。本章首先介紹常用的諧振型單元設(shè)計法，幾何相位型設(shè)計法以及耦合導(dǎo)波輻射型設(shè)計法。針對波束掃描、波束可重構(gòu)等應(yīng)用，還需要超表面口面的電磁響應(yīng)能隨控制進行變化，因此本章還將介紹超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)的方法，包括機械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)以及特殊材料使能的可重構(gòu)等。

2.1超表面電磁調(diào)控機理

諧振型電磁超表面單元通常由介電材料與表面印制的金屬結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)電磁波照射至超表面上時，其結(jié)構(gòu)可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對電磁波產(chǎn)生響應(yīng)。如圖3（a）所示，黃色部分為超表面單元金屬結(jié)構(gòu)。兩部分金屬之間的間隙可等效為分布電容，金屬部分可等效為分布電感，從而組成等效的微波電路。當(dāng)改變金屬部分的尺寸時，可以調(diào)諧各種等效分布參數(shù)，從而控制超表面單元的諧振點，進而實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。由于諧振型結(jié)構(gòu)的特性，其工作帶寬往往受到限制，對電磁波造成的損耗也較大。

幾何相位型電磁超表面單元，如圖3（b）所示，通常也由介電材料與表面印制的金屬結(jié)構(gòu)組成，但其工作原理與諧振型單元有著本質(zhì)區(qū)別。幾何相位原理指出，電磁波在極化轉(zhuǎn)換的過程中會獲得一個額外的相位變化，具有改變圓極化電磁波相位的能力。在具體的實現(xiàn)中，超表面上的金屬結(jié)構(gòu)常設(shè)計為對正交極化各向異性，當(dāng)圓極化電磁波照射至超表面時，出射的圓極化電磁波旋向會反向。進一步的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)表面上的金屬結(jié)構(gòu)某角度后，出射的圓極化電磁波不僅旋向會反向，并且會附加一個額外的相位，其值等于兩倍的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度。由于幾何相位型的工作原理與諧振無關(guān)，其工作帶寬不受限制，文獻中也常見超過100%相對帶寬的工作[17-18]。

耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的提出受到了透射陣列與反射陣列的啟發(fā)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3（c）所示，包含一個接收電磁波的耦合層，一個傳輸電磁波的導(dǎo)波層以及一個輻射電磁波的輻射層。入射至耦合-導(dǎo)波-輻射型超表面電磁波首先被耦合層耦合為導(dǎo)波模式，然后傳輸至導(dǎo)波層。導(dǎo)波層可以實現(xiàn)對信號的相移，濾波，倍頻，功率放大等功能。經(jīng)過調(diào)制的電磁波最后由輻射層再次輻射至自由空間，完成對電磁波的調(diào)控。得益于其特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的設(shè)計自由度更大，每層結(jié)構(gòu)可以獨立設(shè)計再進行組合，并且可以廣泛結(jié)合成熟的微波電路設(shè)計理念。在電磁調(diào)控性能方面，耦合-導(dǎo)波-輻射型表面電磁響應(yīng)線性度高，損耗更低，同時在寬帶響應(yīng)，極化調(diào)控等設(shè)計上更為直接。

圖3超表面電磁調(diào)控機理

2.2超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方法

針對低軌衛(wèi)星天線系統(tǒng)，有波束掃描，波束可重構(gòu)等應(yīng)用需求，這對天線口面電磁響應(yīng)提出了可重構(gòu)的要求。傳統(tǒng)的相控陣天線依靠大量的移相器、衰減器以動態(tài)調(diào)節(jié)天線口面的幅相分布，或是通過數(shù)字波束形成的方法動態(tài)調(diào)控天線口徑狀態(tài)。對超表面技術(shù)而言，實現(xiàn)電磁響應(yīng)可重構(gòu)的方法則更豐富，且成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法。包括機械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)以及特殊材料使能的可重構(gòu)等各種方法。最終目的均為動態(tài)調(diào)控超表面電磁響應(yīng)，包括但不限于幅度、相位、極化、頻率等。

2.2.1機械可重構(gòu)

機械可重構(gòu)指使用電機或其他機械結(jié)構(gòu)以重構(gòu)超表面，從而改變超表面電磁響應(yīng)的方式。如圖4（a）所示，超表面結(jié)構(gòu)上集成了微電機。微電機的工作帶動超表面旋轉(zhuǎn)可控的角度。根據(jù)上述幾何相位原理，可對圓極化電磁波產(chǎn)生可控的相位響應(yīng)。該文獻中設(shè)計的超表面成功實現(xiàn)了寬帶范圍內(nèi)圓極化電磁波的聚焦。文獻[19]使用相似的方法，用微電機帶動單元的旋轉(zhuǎn)，從而動態(tài)控制電磁波的反射相位，實現(xiàn)了最大60°的波束偏折。

圖4超表面響應(yīng)可重構(gòu)方法

機械可重構(gòu)本身往往不參與電磁響應(yīng)，而是通過機械控制電磁響應(yīng)單元來實現(xiàn)。因此這種方案對單元特性影響較小，控制效果較好。但由于較慢的響應(yīng)速度，以及機械系統(tǒng)較大的尺寸，其應(yīng)用受到一些限制。

2.2.2半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)

第一章中提到，諧振型超表面單元可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對電磁波產(chǎn)生響應(yīng)。因此，加載半導(dǎo)體器件直接調(diào)節(jié)電路RLC參數(shù)是一類很好的手段，也是目前受到最多關(guān)注和應(yīng)用的方案。

PIN二極管是一類根據(jù)直流偏壓產(chǎn)生不同開斷特性的二極管。當(dāng)正向偏壓時，典型的PIN二極管等效為一電感和小電阻的串聯(lián)。反偏時可簡單等效為一小電容和電感的串聯(lián)。當(dāng)把PIN二極管加載在超表面結(jié)構(gòu)上時，通過調(diào)節(jié)偏壓大小讓其在正偏與反偏之間改變，即可實現(xiàn)電磁響應(yīng)的可重構(gòu)，如圖4（b）所示。文獻[11]中，當(dāng)PIN二極管在正偏或反偏狀態(tài)切換時，電磁波的反射相位可產(chǎn)生180°的變化，即滿足1bit離散相位的需求。

變?nèi)荻O管工作在反偏狀態(tài)，其等效的電容值隨反偏電壓的增大而減小。利用這一特點，可將變?nèi)荻O管集成至超表面單元結(jié)構(gòu)中，通過改變其反偏電壓，等效的改變超表面的電磁響應(yīng)狀態(tài)。如圖4（c）所示，文獻[14]設(shè)計了加載變?nèi)荻O管的諧振型超表面結(jié)構(gòu)，隨著二極管容值的改變，超表面的諧振頻率也隨之改變。經(jīng)過疊層設(shè)計，最終實現(xiàn)了在5.35GHz處透射相位360°連續(xù)可調(diào)。

相比PIN二極管，雖然變?nèi)荻O管加載可以實現(xiàn)連續(xù)的電磁響應(yīng)控制，但其損耗較大，設(shè)計難度更高，對控制系統(tǒng)的要求也更大。根據(jù)應(yīng)用需求，合理的權(quán)衡各種控制方式，是超表面可重構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。

半導(dǎo)體器件加載可重構(gòu)不局限于上述器件，從原理上分析，任何可以產(chǎn)生電響應(yīng)的器件均可以參與設(shè)計。如在文獻[21]中，作者將射頻放大器引入超表面，實現(xiàn)了反射電磁波幅度的增強。在文獻[22]中，作者將射頻倍頻器引入了耦合-導(dǎo)波-輻射型電磁超表面的導(dǎo)波層，將入射電磁波倍頻后再輻射至自由空間。文獻[23]則將微機電系統(tǒng)引入設(shè)計中，在更小的尺度實現(xiàn)機械調(diào)控，在太赫茲等高頻場景下發(fā)揮重要作用。

2.2.3特殊材料使能的可重構(gòu)

可在外界激勵下改變狀態(tài)的材料也可用于可重構(gòu)超表面的設(shè)計。文獻[24]中設(shè)計了一種透射型可重構(gòu)超表面，并在頂面加載了液晶層。該液晶在低溫時排列取向平行，在高溫時取向趨于無規(guī)則，導(dǎo)致其折射率隨溫度變化。該文獻通過液晶的加載，實現(xiàn)了透射波束隨溫度可控的偏折。

石墨烯也被應(yīng)用在可重構(gòu)超表面的設(shè)計中。當(dāng)有電壓施加在石墨烯上時，其費米能級將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致導(dǎo)電性的變化。根據(jù)此特征，文獻[25]設(shè)計了一個集成石墨烯的超表面結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控石墨烯兩端電極的電壓，可以動態(tài)調(diào)節(jié)超表面吸波的峰值。相似的，相變材料、液態(tài)金屬也被用在超表面重構(gòu)設(shè)計中。這些方案可在特定應(yīng)用背景下提供可重構(gòu)的思路。

表1從適用頻段，損耗，響應(yīng)速度，調(diào)控難度等方面對比了上述超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方案。針對目前低軌衛(wèi)星主流的Ku、Ka頻段，PIN二極管，變?nèi)荻O管以及機械重構(gòu)方案均適用。二極管可重構(gòu)方案響應(yīng)快，控制電路實現(xiàn)成本與功耗較低，相比機械可重構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)可靠性上表現(xiàn)更好。但在損耗表現(xiàn)上仍有進一步提高的必要。

表1超表面電磁響應(yīng)可重構(gòu)方案對比

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超表面相控陣天線系統(tǒng)

第一章和第二章分別介紹了超表面天線波束控制算法以及實現(xiàn)超表面電磁調(diào)控的方法和可重構(gòu)手段。本章將從系統(tǒng)層面展開，介紹超表面相控陣在波束調(diào)控領(lǐng)域的發(fā)展情況。面向低軌衛(wèi)星通信應(yīng)用所急需的低成本天線系統(tǒng)，提出超表面相控陣這一技術(shù)方向。

3.1空間饋電式超表面相控陣

3.1.1單饋源空饋超表面相控陣

如圖5（a）所示，在空饋超表面相控陣的典型配置中，存在外部饋源，它可以是近處的喇叭天線，也可以是距離足夠遠(yuǎn)，可近似為平面波的源。而根據(jù)超表面電磁響應(yīng)的不同，可分為數(shù)字超表面相控陣與模擬超表面相控陣。根據(jù)上文介紹，可知數(shù)字超表面設(shè)計復(fù)雜度較低，損耗也更好控制，但其離散的電磁響應(yīng)會引入誤差，影響波束質(zhì)量。模擬超表面則具有連續(xù)的電磁響應(yīng)控制能力，適用于更復(fù)雜的波束控制場景。文獻[26]與文獻[27]分別采用數(shù)字式與模擬式超表面方案，在半空間實現(xiàn)了較好的波束掃描效果。在多波束產(chǎn)生方面，數(shù)字式與模擬式超表面相控陣也獲得了較好的應(yīng)用效果。文獻[28]和[29]均展示了單饋源空饋超表面的多波束產(chǎn)生。

值得注意的是，由于超表面設(shè)計的靈活性，電磁波不僅可以在超表面上透射或反射，也可實現(xiàn)透射反射并存，且波束均可調(diào)控。如文獻[30]實現(xiàn)了上下兩個半平面波束的同時產(chǎn)生與調(diào)控；文獻[31]則更進一步地在全空間實現(xiàn)了波束偏折和渦旋波束的產(chǎn)生。

在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，極化復(fù)用是擴展通信容量的一種手段。在超表面的設(shè)計中，利用結(jié)構(gòu)的對稱性或進行非對稱設(shè)計[32]，即可實現(xiàn)極化無關(guān)或雙極化的電磁響應(yīng)。使用這種設(shè)計，便可進一步獲得極化可復(fù)用的波束。

近些年來，時間域可重構(gòu)超表面天線的概念也被提出。其技術(shù)原理參考了時間調(diào)制天線，通過在時域上周期或非周期的控制超表面電磁響應(yīng)，可對入射電磁波在頻率進行搬移，同時形成包括基波和高次諧波在內(nèi)的多個波束。該方案有望應(yīng)用在低軌衛(wèi)星通信中多波束頻率復(fù)用上，用較低的成本同時實現(xiàn)多波束覆蓋以及頻率復(fù)用。

圖5空間饋電式超表面相控陣

3.1.2多饋源空饋超表面相控陣

與3.1.1節(jié)中的超表面相控陣方案不同，也可以將多個空饋饋源與超表面進行聯(lián)合設(shè)計，類似反射面天線中單饋源和多饋源的區(qū)別。多個空饋饋源的方案便于多波束的產(chǎn)生，集成多個射頻通道的饋源也有助于系統(tǒng)通信容量的進一步提升。文獻[34]中使用一個7端口饋源和透射型超表面實現(xiàn)了7波束的形成，每個波束對應(yīng)一個饋電端口。如圖5（b）所示，文獻[33]中借助幾何相位型透射超表面，實現(xiàn)了21饋源21圓極化波束的產(chǎn)生。該方案為低軌通信衛(wèi)星實現(xiàn)通道獨立的多波束提供了方案。

3.1.3折合式超表面相控陣

3.1.1與3.1.2節(jié)介紹的空間饋電式超表面天線存在系統(tǒng)剖面高的劣勢。如圖6所示的折合式超表面天線可以較好的改善這一點。在折合式超表面方案中，空間饋源被放置在超表面平面上，通常在中心位置（相對應(yīng)的超表面區(qū)域則被挖空）。通過在上方加載極化選擇器，可以首先將饋源輻射出的電磁波反射至超表面口面上，經(jīng)由超表面進行波束調(diào)控和極化轉(zhuǎn)化后，再透射過極化選擇器，最終實現(xiàn)波束的形成。折合式超表面天線大幅降低了系統(tǒng)剖面高度，有利于降低低軌通信衛(wèi)星的載荷，進一步提高系統(tǒng)集成度。

圖6折合式超表面天線

3.2表面波饋電式超表面相控陣

全息超表面天線指的是利用全息波束形成技術(shù)計算口面阻抗或幅度分布的超表面。盡管全息超表面設(shè)計中，仍可將空間饋源作為參考光進行計算[36]，但更多的設(shè)計都采用了表面波的方式作為參考光波，即在超表面口面某一位置處設(shè)置饋電結(jié)構(gòu)（常為単極子天線），從而實現(xiàn)極低的超表面天線系統(tǒng)剖面。如圖7（a）所示，文獻[37]中，用全息阻抗超表面和口面中心處的點饋源實現(xiàn)了至多4波束的合成。

3.3波導(dǎo)饋電式超表面相控陣

如圖7（b）所示，波導(dǎo)饋電式超表面天線將波導(dǎo)饋電與超表面設(shè)計相結(jié)合[38]，其工作原理類似漏波天線。每個超表面單元可獨立控制其漏波狀態(tài)，對輻射強度或相位進行控制，從而實現(xiàn)波束調(diào)控。文獻[39]集成設(shè)計了波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)以及2bit相位調(diào)控超表面單元，在Ka波段實現(xiàn)了波束掃描以及和差波束的產(chǎn)生，系統(tǒng)總體剖面僅為12mm。文獻[40]將波段饋電結(jié)構(gòu)與加載變?nèi)荻O管的超表面單元結(jié)合，同樣實現(xiàn)了具有一定角度范圍的波束掃描和多波束合成。相較于空間饋電方案，表面波饋電式與波導(dǎo)饋電式方案剖面低，集成度高，口面效率高。

圖7低剖面超表面方案

3.4主動輻射式超表面相控陣

在這一類超表面天線的設(shè)計中，每個超表面單元不僅完成對電磁波的響應(yīng)，同時也作為初級的輻射源，以進一步省去饋源，降低設(shè)計復(fù)雜度。同時主動輻射式超表面天線也有著更好的口面效率以及輻射效率，在星載等應(yīng)用中有較好的前景。文獻[41]介紹了一種主動輻射式超表面設(shè)計，超表面單元結(jié)合幾何相位和諧振相位完成對左右旋圓極化電磁波的相位控制，同時每個單元也是一個獨立的輻射源。實現(xiàn)了左右旋圓極化波非對稱的偏折，系統(tǒng)剖面高度僅為0.07倍波長。相較于傳統(tǒng)的依靠饋電網(wǎng)絡(luò)的平面陣列，該設(shè)計在單元層面完成了相位調(diào)控，具有更簡化的架構(gòu)，如表2所列。

? ??表2衛(wèi)星通信天線技術(shù)方案對比

為更好地對比各種衛(wèi)星通信天線技術(shù)方案，表2從成本、體積/剖面、效率以及主要性能與應(yīng)用5個方面進行了分析。其中，超表面相控陣技術(shù)在成本以及體積方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。在高性能單元設(shè)計的基礎(chǔ)上結(jié)合先進的波束形成算法，超表面相控陣技術(shù)可實現(xiàn)較高的口面效率和較大的掃描范圍。在星載應(yīng)用中，可以采用充氣式或折疊式的超表面方案，從而獲得大口徑帶來的高增益優(yōu)勢。

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結(jié)論與展望

低成本超表面相控陣技術(shù)發(fā)展日益完善，展現(xiàn)出對電磁波多維度的強大調(diào)控能力。本文綜述了超表面相控陣技術(shù)及其在波束調(diào)控中的應(yīng)用。首先從唯相波束形成、全息波束形成，優(yōu)化算法波束形成等角度介紹了超表面天線波束形成的方法，之后介紹了諧振型、幾何相位型以及耦合-導(dǎo)波-輻射型超表面電磁調(diào)控的機理，以及機械可重構(gòu)、半導(dǎo)體器件加載可重合，以及特殊材料可重構(gòu)手段，最后介紹了多種類型的超表面相控陣系統(tǒng)在波束形成，波束掃描，多波束產(chǎn)生中的應(yīng)用。

超表面天線技術(shù)的發(fā)展提供了一種低成本波束調(diào)控的思路。其無需傳統(tǒng)相控陣中大量的射頻組件即可實現(xiàn)波束的靈活形成、掃描和多波束產(chǎn)生，可滿足低軌通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)星地、星間通信波束的需求。

針對星載應(yīng)用中的低成本超表面相控陣技術(shù)，還需對以下3個方面進行進一步研究：

1）超表面功率容量研究。當(dāng)前有關(guān)超表面的研究罕見功率容量的分析，針對電磁波功率較高的場景，是否會對超表面設(shè)計，尤其是可重構(gòu)器件設(shè)計產(chǎn)生影響。

2）超表面功耗研究。超表面的波束掃描需要對每一個單元進行動態(tài)調(diào)控，這會帶來部分功耗。盡管變?nèi)荻O管可重構(gòu)方案等具有較低的功耗，其能否適應(yīng)星載平臺也需定量研究。

3）可重構(gòu)超表面電磁特性建模與優(yōu)化研究。盡管可重構(gòu)超表面具有較好的相位響應(yīng)，但其插入損耗水平依舊較高。針對如星載應(yīng)用等總功率受限場景，可重構(gòu)超表面電磁特性的進一步優(yōu)化仍具有挑戰(zhàn)。

在可展望的未來，超表面天線技術(shù)有望在低軌通信衛(wèi)星天線系統(tǒng)中發(fā)揮其低成本、低剖面、高度靈活性的優(yōu)勢，為星地、星間通信系統(tǒng)提供良好的物理層基礎(chǔ)。

編輯：黃飛