可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计.pdf
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1、第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 7基金项目:国家自然科学基金(6 2 2 7 1 2 4 3,6 2 0 7 1 2 1 5)作者简介:张 娜(1 9 9 1-),女,山东潍坊人,特聘副研究员,博士,研究方向为可编程超表面与反射阵天线。E-m a i l:n a z h n j u.e d u.c n通信作者:陈 克(1 9 9 0
2、-),男,江苏镇江人,副教授,博士,研究方向为人工电磁材料及其新型电磁器件。E-m a i l:k e.c h e n n j u.e d u.c n引用格式:张娜,陈克,王逊凡,等.可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):1 0-1 6.Z HAN G N a,C HE N K e,WANG X u n f a n,e t a l.A D u a l-P o l a r i z e d I n d e p e n d e n t M u l t i-B e a m R e f l e c t e d a r r a y D e s i
3、 g n B a s e d o n P r o g r a mm a b l e C o d i n g M e t a s u r f a c eJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(3):1 0-1 6.可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计张 娜,陈 克*,王逊凡,赵健民,赵俊明,冯一军(南京大学电子科学与工程学院,南京,2 1 0 0 2 3)摘要 多波束反射阵天线因其制备简单、成本低、波束调控灵活等优势而备受关注。基于极化复用的可编程
4、超表面提出了一种双极化通道独立波束动态调控的多波束反射阵天线设计方法,并结合方向图快速计算与优化算法,实现了快速的编码序列优化与方向图预测。理论分析与全波仿真分析结果显示,反射阵天线在双极化通道下具有良好的辐射性能,主瓣辐射方向与理论计算结果一致。作为实验验证,加工了实物样件并在标准微波暗室中进行了测试。测试结果与仿真分析结果吻合良好,证明独立波束调控的双极化反射阵天线具有多通道电磁波辐射能力,有望应用于无线通信与多目标雷达系统中。关键词 可编程超表面;双极化通道;反射阵天线;多波束天线D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0
5、3.0 0 2中图分类号 T N 8 2 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 0 1 0-0 7A D u a l-P o l a r i z e d I n d e p e n d e n t M u l t i-B e a m R e f l e c t e d a r r a y D e s i g n B a s e d o n P r o g r a mm a b l e C o d i n g M e t a s u r f a c eZ HANG N a,CHE N K e*,WANG X u n f a n,Z HAO J i
6、a n m i n,Z HAO J u n m i n g,F E NG Y i j u n(S c h o o l o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r s i t y,N a n j i n g 2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t B e i n g s i m p l e i n p r e p a r a t i o n,l o w a t t h e c o s t s,a n d f l e x i
7、 b l e i n b e a m c o n t r o l,m u l t i-b e a m r e f l e c t e d a r r a y i s v e r y p o p u l a r.I n t h i s p a p e r,a d e s i g n m e t h o d o f d u a l-c h a n n e l i n d e p e n d e n t m u l t i-b e a m r e f l e c t e d a r-r a y i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e p o l a r i z
8、 a t i o n m u l t i p l e x i n g m e t a-s u r f a c e,a n d r a d i a t i o n p a t t e r n f a s t p r e d i c t i o n i s u t i l i z e d t o g e t h e r i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e a l g o r i t h m t o c a l c u l a t e o p t i m a l p h a s e c o n f i g u r a t i o n.S p e c i f
9、 i c a l l y,t h e i n d e p e n d e n t d u a l-a n d t h e m u l t i-b e a m m a n i p u l a t i o n s i n d u a l-p o l a r i z a t i o n a r e a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y,a n d s i m u l a t e d b y t h e e l e c t r o m a g n e t i c s o f t w a r e.T h e r e f l e c t e d a r r a
10、 y p r e s e n t s g o o d r a d i a t i o n p e r f o r m a n c e,c o n-s i s t i n g w i t h t h e s i m u l a t i o n s e s p e c i a l l y i n m a i n l o b e.A s a n e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n,a p r o t o t y p e i s f a b r i c a-t e d a n d t e s t e d i n a s t a n d a r
11、 d m i c r o w a v e a n e c h o i c c h a m b e r,a n d t h e m e a s u r e d r e s u l t s a r e i n a c c o r d w i t h t h e s i m u l a t i o n s.T h e p r o p o s e d r e f l e c t e d a r r a y h a s p r o m i s i n g a b i l i t y t o g e n e r a t e t h e a r b i t r a r y a n d i n d e p e
12、 n d e n t m u l t i-b e a m s,l a r g e l y e n h a n c i n g t h e i n f o r m a t i o n c a p a c i t y o f t h e m e t a s u r f a c e s,o f f e r i n g u n t a p p e d p o t e n t i a l s i n w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n s y s t e m s a n d m u l t i-t a r g e t r a d a r s y s t e
13、m s.B e i n g s i m p l e i n p r e p a r a t i o n,l o w a t t h e c o s t s,a n d f l e x i b l e i n b e a m c o n t r o l.K e y w o r d s p r o g r a mm a b l e c o d i n g m e t a s u r f a c e;d u a l-p o l a r i z e d;r e f l e c t e d a r r a y;m u l t i-b e a m a n t e n n a 超表面作为一种二维形式的人工复
14、合电磁材料,由于其具有自然材料所不具有的许多独特电磁特性而受到广泛关注1-3。通过在电磁波入射分界面上引入场的不连续性可以实现对电磁波幅度、相位、极化、频率等固有性质的复杂调控4-7,并基于这种实现方式产生了许多奇异的物理现象和新颖的超表面器 件,如 异 常 折 射8、聚 焦 透 镜9-1 0、全 息 成像1 1-1 2、隐身斗篷1 3-1 4以及涡旋波束产生1 5-1 7等。近些年,随着超表面技术的不断发展,超表面进一步融入到了天线的设计之中,它在天线设计中发挥越来越重要的作用,不再仅仅作为辅助性功能层来改善天线性能,例如作为天线的辐射口面等直接参与天线辐射。这也对超表面远场电磁波束调控提出
15、了更高的设计要求。传统的多波束天线主要有透镜式、反射面式和相控阵式3种1 8。透镜式和反射面式的基本原理是通过在焦点附近放置单个或多个馈源,并通过控制馈源的激励幅度和相位来实现多波束;相控式多波束天线则由多个辐射阵元排列组成,通过馈电网络精确控制阵元的激励幅度和相位形成动态波束赋形。传统的多波束天线尽管可以利用复杂的馈电网络等实现灵活的波束数目与波束角度调控,但是结构复杂、造价高,同时具有体积较大的问题,不利于小型化平面化设计。与之相比,基于超表面实现的多波束反射阵天线则借助超表面低剖面的结构优势,同时兼具重量轻、体积小、成本低、易集成等优点,因此波束调控方式更灵活1 9。但是,目前大多数现有
16、的多波束反射阵天线主要由无源超表面单元组成,即单元电磁响应固定、功能固定,无法满足用户的动态波束调控需求,因而限制了其在实际中的应用。编码超表面的提出为实现有源形式的超表面提供了一种新的工作机制2 0。由于编码超表面基本单元的电磁特性采用二进制数字来表征,且可通过数字电平0和1来进行调控,因此可将预先设计的二进制编码序列输入到现场可编程门阵列(f i e l d p r o g r a mm a b l e g a t e a r r a y,F P GA)中,通过外部控制电路 实 时 地 调 控 电 磁 波 传 播,形 成 可 编 程 超 表面2 1-2 3。在环境复杂化、功能多样化的发展需
17、求之下,单一的功能无法满足人们日益增长的需求,能够实现多通道传输的电磁波复用技术逐渐成为超表面的研究热点之一,因此多功能/多维度复用的超表面应运而生2 3-2 4。这其中,极化复用作为一种典型的实现方式,它利用不同极化通道作为独立的信息传输通道,进一步增加了信道容量,也为利用超表面实现多维联合调控提供了新的设计自由度2 5-2 7。但是,极化通道的增加意味着电可调元件将引入更多的损耗以及更复杂的馈电网络设计。因此,如何合理设计馈电网络,实现高效率、低极化串扰的可编程极化复用超表面一直是该领域研究的难点之一。本文通过在谐振结构中加载P I N二极管的方式设计了一种极化复用可编程超表面单元,并结合
18、空间多波束理论分析,提出了一种双通道多波束有源反射阵天线的设计方法,可在两个极化通道下实现独立、动态的多波束电磁波调控。作为功能验证,利用F P GA硬件系统动态控制反射阵天线的工作状态,分别在x极化与y极化通道下实现了独立的动态双波束辐射。在此基础上,利用该天线在2个极化通道下实现了灵活、任意的动态多波束产生。最后,作为实验验证,对样品进行了加工与测试。测试结果与仿真结果吻合良好,进一步验证了所设计反射阵天线在双通道下的独立多波束调控能力。这种双极化通道独立产生多波束的反射阵天线可以有效增加信息传输通道,提高信道容量,因此在卫星通信、电子对抗、多目标雷达系统等领域具有良好的应用前景。1 单元
19、设计为实现双极化通道多波束反射阵天线,首先利用耶路撒冷十字型拓扑结构设计了如图1所示的编码超表面单元。单元由3层金属2层介质基板压合而成,顶层金属结构(T o p)呈中心旋转对称,结构x方向与y方向分别加载2个P I N二极管以实现独立的动态相位调制。P I N二极管的负极直接连接到单元结构的地板为第2层金属结构(GN D),正极则通过金属化过孔连接到底部的馈电层(B i a s)。底层馈电网络设计时,x方向P I N二极管与y方向P I N二极管分别连通到不同的直流馈电电极,实现双极化通道独立馈电。在结构设计基础上,利用电磁仿真软件C S T对单元结构进行了全波电磁仿真分析。单元结构周向(x
20、 o y平面)采用周期性边界条件,纵向(z方向)设为开放边界条件。二极管型号为S M P 1 3 2 0-0 7 9 L F,仿真分析时利用等效电路模型模拟其开关状态,进而通过精细的谐振单元结构优化来构造1-比特编码单元。具体地,当二极管工作于“O N”状态时,等效为电阻与电感的串联形式,R=0.5,L=0.7 n H;当二极管工作于“O F F”状态时,等效为L=0.5 n H,C=0.2 4 p F。综合考虑仿真结果以及样品制备要求,最终得出如下的单元结构参数:单周期p=1 6 mm,上层介质基板厚度h=3.8 mm,金属通孔半径r=0.2 mm,以及其他结构参数a=8.6 mm,la=2
21、 mm,lb=2.2 5 11第3期 张娜,等:可编程超表面实现双极化独立多波束反射阵天线设计mm,lc=3.1 mm,c=4.5 mm,w=0.2 mm。金属结构选用电导率为5.8 1 07 S/m的铜,2层介质基板均选用相对介电常数r=2.2的聚四氟乙烯(F 4 B),损耗角正切t a n=0.0 0 1。(a)编码超表面单元结构(b)编码超表面单元反射相位曲线(c)编码超表面单元反射幅度曲线图1 编码超表面单元相关参数为分析单元的双极化相位调制特性,在此定义“0/0”、“0/1”、“1/0”与“1/1”4种基本编码单元,分别表征0/0、0/1 8 0、1 8 0/0 与1 8 0/1 8
22、 0 的反射相位。斜杠“/”前后分别代表x极化与y极化状态下单元的编码状态与反射相位。值得注意的是,0 和1 8 0 是单元的归一化反射相位值,并不代表单元的绝对反射相位。事实上,只要“0”、“1”2种编码单元间相位差满足1 8 0 即可实现良好的1-比特编码超表面。经过参数优化后,单元的反射特性曲线如图1(b)(c)所示。在工作频点7.4 5 GH z处,“1”、“0”2种码元相位差近似满足1 8 0,且反射幅度均大于0.9 6,能够实现高效的1-比特编码调控,其中阴影填充区域即为单元的工作带宽,此时相位差满足1 8 0 2 0。在此相差范围内,编码超表面均能够保持良好的工作性能。同时,单元
23、反射特性曲线显示,在特定极化状态下(x/y极化),其单元相位变化情况只与本方向上(x/y方向)P I N二极管的变化状态相关,正交方向上P I N二极管开关状态的切换并不影响其相位调制,即所设计单元能够实现x极化与y极化通道下的独立相位调制。2 理论计算超表面对电磁波的灵活调控,其本质是利用单元结构与电磁波的相互作用来实现周期或非周期的阵列,即通过不同的拓扑单元结构以及特定的空间排布方式来实现不同的电磁功能。当超表面上的相位/幅度分布固定后,通过阵列天线理论或傅里叶变换等,即可推算出等效的远场辐射特性。同样地,针对特定的远场辐射场分布,通过理论计算,也能逆推出超表面应具有的相位/幅度分布。本文
24、基于极化复用可编程超表面单元,结合天线阵理论进行了快速的方向图计算,并在方向图计算过程中进一步利用遗传算法进行编码序列优化,实现了独立动态的多波束反射阵天线设计。假设超表面由排列在x o y平面上的MN个单元组成,坐标中心位于阵面的几何中心,并由标准开口波导天线(B J 8 4)作为馈源实现中心馈电。为实现定向波束辐射(b,b),第(i,j)超表面单元的相位需满足2 8:i j=k0(ri j-S-ri jm)(1)式中:k0为自由空间的传播常数;ri j和S分别为第(i,j)单元和馈源的位置矢量;m代表波束辐射方向上的单位矢量。在1-比特单波束赋形的基础上,进一步利用场叠加原理进行独立多波束
25、调控,此时口径面上的相位分布满足2 9:i j=a r gNq=1e-ji jq +(2)式中:i jq为产生第q个波束所需的连续相位。这里定义为初始相位,是一个常量,可作为优化的参量以提高天线的性能。在具体的计算过程中,为实现1-比特编码超表面设计,需先对式(2)所实现的连续相位进行离散化处理。但离散化过程中,不同的初始相位参量可能导致完全不同的相位分布。由此,引入了相位优化算法,以期获取最佳的相位分布,提高天线的辐射性能。在具体的优化过程中,首先采用随机函数产生初始种群,为超表面口面上的相位分布赋予不同的初始相位参量,以期通过优化初始相位值来实现编码序列优化,获得均匀且高效的波束辐射。产生
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