基于波導(dǎo)高階模式實現(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成正相關(guān)的。當(dāng)工作頻率提高時，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，相關(guān)設(shè)備的小型化將對傳統(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)計值。因此，對于毫米波設(shè)備的設(shè)計要求將不同于傳統(tǒng)的厘米波設(shè)備。

　　02、成果簡介

　　近日，東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院、毫米波國家重點實驗室的博士生陳建鋒及其導(dǎo)師程強教授與英國赫瑞-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，報道了利用波導(dǎo)的高階模式作為載體，實現(xiàn)對傳統(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加工工藝的要求，為毫米波及太赫茲設(shè)備的設(shè)計提供了新方案。相關(guān)文章發(fā)表于國際期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》上。

　　圖1 12通道的毫米波LTSA陣列加工實物圖

　　要點1: 低交叉極化電平的毫米波LTSA陣列實現(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小于工作波長的基板作為天線的設(shè)計介質(zhì)，從而減小交叉極化電場的幅度；或者使用三層結(jié)構(gòu)的平衡對踵設(shè)計，從而將層間交叉極化電場抵消掉。

　　然而這兩種設(shè)計在毫米波段均會遇到困難：毫米波段較短的波長將要求使用更薄的基板，這使得天線的加工以及機械強度方面都會受到限制；三層結(jié)構(gòu)的平衡對踵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信號的等幅反相特性，通過調(diào)整TSA單元的排列方式，實現(xiàn)對LTSA陣列交叉極化分量的有效抑制。實驗證明，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2: 利于高頻設(shè)備設(shè)計的高效饋電網(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斎胄盘栕詣臃殖蒼路等幅反相的輸出信號，這將有助于整個設(shè)備的實際物理通道數(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。

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

　　要點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，因此整個饋電網(wǎng)絡(luò)工作在過模波導(dǎo)（overmoded waveguide）狀態(tài)中，對應(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)將輸入信號自動分成n路輸出信號，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)計具有極高的加工魯棒性。

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　　（b）

　　圖3 LTSA陣列方向圖（a）仿真結(jié)果（b）測試結(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，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IQ不均等。此外，當(dāng)前基于大規(guī)模天線陣實現(xiàn)的高階毫米波收發(fā)機硬件復(fù)雜、成本高昂，在很多場景下很難實際應(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、毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士、程強教授課題組與移動通信國家重點實驗室金石教授課題組在信息超材料領(lǐng)域取得新進展，基于時域數(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)實現(xiàn)對電磁諧波幅度和相位的精確調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，我們進一步提出并實際搭建了調(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)表在國際知名期刊《國家科學(xué)評論》（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)博士唐萬愷、戴俊彥、柯俊臣、張磊、張琤、楊進和北京大學(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重構(gòu)超表面的功能，實現(xiàn)對電磁波的動態(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，時域數(shù)字編碼超表面巧妙地將信息科學(xué)中的信號處理算法與實時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，從而增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋；另一方面，時域數(shù)字編碼超表面實時調(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。

　　圖1 基于時域數(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，實現(xiàn)了對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。通過調(diào)制數(shù)字編碼序列的占空比與時間延遲兩個參數(shù)，研究者們能夠精確而獨立地控制所產(chǎn)生諧波信號的幅度和相位?；谶@一諧波調(diào)控理論，研究者們進一步探索建立了調(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)一個單音信號入射到超表面上時，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。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 實際搭建的系統(tǒng)原型樣機及不同載波和調(diào)制頻率情況下測試的256 QAM星座圖

　　作為實驗驗證，研究者們實際搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波無線通信系統(tǒng)樣機，如圖2（a）所示。在實驗過程中，整個系統(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與圖片展示在接收端屏幕上。圖2（b-e）顯示了實際接收到的星座圖。實驗結(jié)果證實了所提出的諧波調(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、原理簡單，使得我們能夠搭建起調(diào)制體制達到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)以低廉的成本實現(xiàn)了良好的性能表現(xiàn)，在未來的6G移動通信與新體制雷達系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。