[01919762]多波束/涡旋波束天线技术

本项目提供一种用于无线通信系统中的多波束低造价超表面天 线。当每个波束独立工作时，通过切换波束实质上实现了波束扫描。 雷达、卫星通信、新一代移动通信都需要波束扫描或多波束天线提高 通信容量和覆盖灵活性。超表面具有调控电磁波的极化、传播和空间 分布的能力，将电磁超表面与天线设计相结合，有效避免了复杂网络 设计、成本较低、设计灵活。研究基于电磁超表面的高效率、低成本 的多波束天线是解决上述问题的一个重要设计方向。

关键技术

该项目利用超表面的灵活相位调控，实现多个波束的产生，涉及 到的关键技术包括多波束天线以及涡旋波生成技术。

多波束技术

多波束天线具有高增益、低副瓣以及可在较宽范围内波束扫描等 优点，广泛应用于雷达系统、卫星通信以及 5G 通信等技术领域，在 满足辐射性能要求的同时还要考虑成本、可靠性、体积等因素。其中， 多波束抛物面天线、多波束相控阵天线、多波束透镜天线等应用最为 广泛。抛物面天线增益高、结构简单，但往往体积笨重、波束一致性 差、覆盖范围窄，波束扫描速度较慢；相控阵天线采用电子扫描的工 作方式，具有较高的扫描精度和较快的扫描速度，然而大规模的有源 相控阵制造成本高，难以大量应用；多波束透镜天线具有频带宽、波 束覆盖范围广、结构简单、成本低等优点，基于电磁超表面的透射阵 易于加工、剖面低，具有较为广泛的应用。

利用电磁超表面可以实现对电磁波波前相位的灵活调控，高增益 多波束透射阵天线由 90 °极化旋转超表面单元组成，该超表面单元可以同时完成极化旋转和相位补偿。将 5 个线极化平面馈源以空间馈 电形式安装，5 个平面馈源分别独立馈电可以形成 5 个不同指向的波 束，从而完成波束扫描。该天线剖面较低，采用空馈技术使得馈电网 络简单，整个天线质量轻，便于安装，是无线通信系统中天线端可取 的方案。

图 1 涡旋多波束电磁超表面

图 2 多波束涡旋电磁波的辐射方向图及相位波前

涡旋波生成技术

在微波射频波段产生涡旋电磁波，常用方法通常为螺旋相位板、 反射面和环形阵列天线，螺旋相位板成本高、体积大，产生涡旋波效 率低，不利于远距离传输；反射面容易设计、效率高，但加工较为困 难且体积较大，限制了应用范围；环形阵列天线可以调节阵元间相位差以产生精确的涡旋电磁波，是较为方便有效的方法之一，加工容易， 成本较低，但馈电网络设计较为复杂，不利于大规模推广。

基于人工电磁表面的天线技术近年来发展迅速，超表面是由亚波 长单元在特定平面或曲面通过周期排列构成，其厚度小于工作波长。 超表面与传统材料相比，其功能上的优势体现为可以对照射到其表面 的电磁波传播特性和反射特性进行灵活调控，即对透射波和反射波的 幅度分布、相位分布、极化状态的灵活控制，使波束在电磁表面上形 成 exp(-jlφ)的相位分布，就可产生 OAM 涡旋电磁波束。由于每个电 磁表面单元的相位都具有独立调整的能力，因此设计自由度大，能产 生模态纯净的 OAM 涡旋电磁波束，同时超表面天线的剖面通常很低， 占用空间小，平面印刷结构也大幅降低结构设计的复杂性，同时由于 不需要馈电网络，也不存在馈电损耗，容易实现较高的口径利用效率。

图 3 基于均匀圆阵列的涡旋波天线

图 4 基于超表面的涡旋波生成