基于波導(dǎo)高階模式實(shí)現(xiàn)毫米波天線陣列的高效饋電饋電

　　01、研究背景

　　一般情況下，基于電磁波理論所發(fā)展起來的設(shè)備，包括導(dǎo)波結(jié)構(gòu)、天線、濾波器以及諧振器等，其物理尺寸都與工作波長(zhǎng)成正相關(guān)的。當(dāng)工作頻率提高時(shí)，其相關(guān)設(shè)備的物理尺寸也將成比例地縮小。當(dāng)工作頻率提升至毫米波甚至太赫茲頻段時(shí)，相關(guān)設(shè)備的小型化將對(duì)傳統(tǒng)的加工工藝提出挑戰(zhàn)。在加工精度固定的情況下，頻率的提升將會(huì)引入更大的加工誤差，從而使得電磁設(shè)備的性能無法滿足理論設(shè)計(jì)值。因此，對(duì)于毫米波設(shè)備的設(shè)計(jì)要求將不同于傳統(tǒng)的厘米波設(shè)備。

　　02、成果簡(jiǎn)介

　　近日，東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生陳建鋒及其導(dǎo)師程強(qiáng)教授與英國(guó)赫瑞-瓦特大學(xué)的王磊教授合作，以“Millimeter-Wave LTSA Array Fed by High-Order Modes with a Low Cross-Polarization Level and Relaxed Fabrication Tolerance”為題，報(bào)道了利用波導(dǎo)的高階模式作為載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)線性漸變槽天線（LTSA）陣列的高效饋電，在保持天線基本輻射性能的前提下，首次將LTSA陣列基板厚度提升至0.19λ0，有效降低高頻天線對(duì)加工工藝的要求，為毫米波及太赫茲設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了新方案。相關(guān)文章發(fā)表于國(guó)際期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》上。

　　圖1 12通道的毫米波LTSA陣列加工實(shí)物圖

　　要點(diǎn)1: 低交叉極化電平的毫米波LTSA陣列實(shí)現(xiàn)

　　傳統(tǒng)的漸變槽天線（TSA）受限于其多層結(jié)構(gòu)特性，往往具有較差的交叉極化電平性能。常規(guī)的解決方案為選擇厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的基板作為天線的設(shè)計(jì)介質(zhì)，從而減小交叉極化電場(chǎng)的幅度；或者使用三層結(jié)構(gòu)的平衡對(duì)踵設(shè)計(jì)，從而將層間交叉極化電場(chǎng)抵消掉。

　　然而這兩種設(shè)計(jì)在毫米波段均會(huì)遇到困難：毫米波段較短的波長(zhǎng)將要求使用更薄的基板，這使得天線的加工以及機(jī)械強(qiáng)度方面都會(huì)受到限制；三層結(jié)構(gòu)的平衡對(duì)踵TSA與毫米波段設(shè)備常用的SIW（基片集成波導(dǎo)）饋電技術(shù)并不匹配。

　　在該工作中，作者提出利用波導(dǎo)高階模式（TEn0模）作為天線的饋電網(wǎng)絡(luò)。利用相鄰?fù)ǖ篱g信號(hào)的等幅反相特性，通過調(diào)整TSA單元的排列方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)LTSA陣列交叉極化分量的有效抑制。實(shí)驗(yàn)證明，即使選擇較厚的基板（0.19λ0），交叉極化電平依然能保持在可用的范圍之內(nèi)。

　　要點(diǎn)2: 利于高頻設(shè)備設(shè)計(jì)的高效饋電網(wǎng)絡(luò)

　　作者提出利用波導(dǎo)高階模式（TEn0模）作為饋電網(wǎng)絡(luò)，從而替代傳統(tǒng)的T型節(jié)、相位功分器以及巴倫等器件。相較于傳統(tǒng)的1分n路功分器，高階模式（TEn0模）波導(dǎo)能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)自動(dòng)分成n路等幅反相的輸出信號(hào)，這將有助于整個(gè)設(shè)備的實(shí)際物理通道數(shù)量的大幅度降低，從而降低設(shè)備的復(fù)雜度以及避免部分回波損耗。

　　（a）

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　　圖2 等效TE12,0模波導(dǎo)內(nèi)瞬態(tài)電場(chǎng)（a）In-plane （b） Out-of-plane

　　要點(diǎn)3: 高加工魯棒性的饋電網(wǎng)絡(luò)

　　利用波導(dǎo)高階模式（TEn0模）作為饋電網(wǎng)絡(luò)還將有助于提升設(shè)備的加工魯棒性，降低由有限加工精度導(dǎo)致的性能下降幅度。由于整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)利用波導(dǎo)高階模式（TEn0模）作為傳輸模式，因此整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)工作在過模波導(dǎo)（overmoded waveguide）狀態(tài)中，對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)尺寸是相同工作頻率的TE10模波導(dǎo)的數(shù)倍。其次，由于TEn0模波導(dǎo)將輸入信號(hào)自動(dòng)分成n路輸出信號(hào)，因此無需加工額外的通道間電分隔，從而避免引入更多的加工誤差。另外，配合LTSA陣列所選用的較厚的基板，使得本設(shè)計(jì)具有極高的加工魯棒性。

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　　圖3 LTSA陣列方向圖（a）仿真結(jié)果（b）測(cè)試結(jié)果

　　文章鏈接：http://doi.org/10.1109/TAP.2021.3083802

　　文章來源：東大電磁空間   陳建鋒   編輯：蔣睿哲    審核：張磊

　　基于時(shí)域數(shù)字編碼超表面的寬帶精確電磁諧波幅相調(diào)控與256 QAM毫米波無線通信

　　01、研究背景

　　而隨著5G商用的推進(jìn)，傳輸速率更高、延遲更低、帶寬資源更豐富的5G毫米波成為了必然的選擇。然而，更大的帶寬與更高的載波頻率在毫米波系統(tǒng)的部署過程中造成了極大的硬件挑戰(zhàn)，包括功率放大器的非線性特性與基帶信號(hào)IQ不均等。此外，當(dāng)前基于大規(guī)模天線陣實(shí)現(xiàn)的高階毫米波收發(fā)機(jī)硬件復(fù)雜、成本高昂，在很多場(chǎng)景下很難實(shí)際應(yīng)用。因此，我們需要一種低成本、高效能的新型毫米波通信架構(gòu)來解決這些問題。

　　02、成果簡(jiǎn)介

　　近日，東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士、程強(qiáng)教授課題組與移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金石教授課題組在信息超材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，基于時(shí)域數(shù)字編碼超表面提出了一種全新的編碼方法，能夠在超寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出并實(shí)際搭建了調(diào)制體制為256 QAM的高階毫米波無線通信系統(tǒng)。新系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的毫米波無線通信系統(tǒng)架構(gòu)更為簡(jiǎn)單，因而極大地降低了硬件成本。研究成果以“Accurate and broadband manipulations of harmonic amplitudes and phases to reach 256 QAM millimeter-wave wireless communications by time-domain digital coding metasurface”為題，于2021年7月29日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上。東南大學(xué)為第一署名單位，論文通訊作者為崔鐵軍院士、程強(qiáng)教授和金石教授，第一作者為東南大學(xué)碩士陳明正，合作者還包括東南大學(xué)博士唐萬(wàn)愷、戴俊彥、柯俊臣、張磊、張琤、楊進(jìn)和北京大學(xué)李廉林教授。

　　超材料和超表面因其在調(diào)控電磁波方面靈活多變的能力，近年來吸引了廣泛的研究興趣。此外，PIN二極管和變?nèi)荻O管等可調(diào)元件的應(yīng)用使得我們能夠?qū)崟r(shí)重構(gòu)超表面的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控?；诳烧{(diào)與可重構(gòu)超表面，崔鐵軍院士課題組提出了時(shí)域數(shù)字編碼超表面以產(chǎn)生并精確控制電磁諧波（National Science Review, 6, 231-238, 2019）。時(shí)域數(shù)字編碼超表面的出現(xiàn)引發(fā)了一系列新奇的物理現(xiàn)象，包括諧波波束調(diào)控、非線性極化綜合、多普勒隱身和寬帶頻譜隱身等。尤其在無線通信領(lǐng)域，時(shí)域數(shù)字編碼超表面巧妙地將信息科學(xué)中的信號(hào)處理算法與實(shí)時(shí)可編程的超表面單元相結(jié)合，獲得了新的應(yīng)用。一方面，時(shí)域數(shù)字編碼超表面被研究用以智能地重構(gòu)無線傳輸環(huán)境，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋；另一方面，時(shí)域數(shù)字編碼超表面實(shí)時(shí)調(diào)控電磁波響應(yīng)（例如，幅度和相位）的能力使得其成為一種新型的無線發(fā)射機(jī)。

　　圖1 基于時(shí)域數(shù)字編碼超表面的毫米波無線通信系統(tǒng)示意圖

　　在文章中，研究者們提出了一種巧妙的編碼方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。具體而言，超表面的反射系數(shù)受偏置電壓的控制在兩種不同狀態(tài)之間周期性地變化，從而產(chǎn)生了一系列以入射電磁波頻率為中心頻率的諧波信號(hào)。通過調(diào)制數(shù)字編碼序列的占空比與時(shí)間延遲兩個(gè)參數(shù)，研究者們能夠精確而獨(dú)立地控制所產(chǎn)生諧波信號(hào)的幅度和相位?；谶@一諧波調(diào)控理論，研究者們進(jìn)一步探索建立了調(diào)制體制為256 QAM的毫米波無線通信系統(tǒng)（如圖1所示）。當(dāng)一個(gè)單音信號(hào)入射到超表面上時(shí)，其將在數(shù)字編碼序列的控制下被轉(zhuǎn)化為一系列的諧波信號(hào)。我們選取+1階諧波作為傳輸信息的載波，則視頻和圖片等信息流就能被映射為相應(yīng)的編碼序列流加載到超表面上，從而把信息調(diào)制到載波上，無需復(fù)雜的射頻鏈路。

　　圖2 實(shí)際搭建的系統(tǒng)原型樣機(jī)及不同載波和調(diào)制頻率情況下測(cè)試的256 QAM星座圖

　　作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究者們實(shí)際搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波無線通信系統(tǒng)樣機(jī)，如圖2（a）所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地以256 QAM的調(diào)制體制傳輸圖片信息，并將接收到的星座點(diǎn)與圖片展示在接收端屏幕上。圖2（b-e）顯示了實(shí)際接收到的星座圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出的諧波調(diào)控方法的正確性與高階調(diào)制無線通信系統(tǒng)的可行性。

　　03、小結(jié)

　　總之，這種寬帶的諧波調(diào)控方法精度高、原理簡(jiǎn)單，使得我們能夠搭建起調(diào)制體制達(dá)到256 QAM的毫米波無線通信系統(tǒng)。與需要復(fù)雜的基帶算法與昂貴的射頻器件的傳統(tǒng)毫米波系統(tǒng)相比，我們的新架構(gòu)系統(tǒng)以低廉的成本實(shí)現(xiàn)了良好的性能表現(xiàn)，在未來的6G移動(dòng)通信與新體制雷達(dá)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。