基于波导高阶模式实现毫米波天线阵列的高效馈电馈电

　　01、研究背景

　　一般情况下，基于电磁波理论所发展起来的设备，包括导波结构、天线、滤波器以及谐振器等，其物理尺寸都与工作波长成正相关的。当工作频率提高时，其相关设备的物理尺寸也将成比例地缩小。当工作频率提升至毫米波甚至太赫兹频段时，相关设备的小型化将对传统的加工工艺提出挑战。在加工精度固定的情况下，频率的提升将会引入更大的加工误差，从而使得电磁设备的性能无法满足理论设计值。因此，对于毫米波设备的设计要求将不同于传统的厘米波设备。

　　02、成果简介

　　近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室的博士生陈建锋及其导师程强教授与英国赫瑞-瓦特大学的王磊教授合作，以“Millimeter-Wave LTSA Array Fed by High-Order Modes with a Low Cross-Polarization Level and Relaxed Fabrication Tolerance”为题，报道了利用波导的高阶模式作为载体，实现对传统线性渐变槽天线（LTSA）阵列的高效馈电，在保持天线基本辐射性能的前提下，首次将LTSA阵列基板厚度提升至0.19λ0，有效降低高频天线对加工工艺的要求，为毫米波及太赫兹设备的设计提供了新方案。相关文章发表于国际期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》上。

　　图1 12通道的毫米波LTSA阵列加工实物图

　　要点1: 低交叉极化电平的毫米波LTSA阵列实现

　　传统的渐变槽天线（TSA）受限于其多层结构特性，往往具有较差的交叉极化电平性能。常规的解决方案为选择厚度远小于工作波长的基板作为天线的设计介质，从而减小交叉极化电场的幅度；或者使用三层结构的平衡对踵设计，从而将层间交叉极化电场抵消掉。

　　然而这两种设计在毫米波段均会遇到困难：毫米波段较短的波长将要求使用更薄的基板，这使得天线的加工以及机械强度方面都会受到限制；三层结构的平衡对踵TSA与毫米波段设备常用的SIW（基片集成波导）馈电技术并不匹配。

　　在该工作中，作者提出利用波导高阶模式（TEn0模）作为天线的馈电网络。利用相邻通道间信号的等幅反相特性，通过调整TSA单元的排列方式，实现对LTSA阵列交叉极化分量的有效抑制。实验证明，即使选择较厚的基板（0.19λ0），交叉极化电平依然能保持在可用的范围之内。

　　要点2: 利于高频设备设计的高效馈电网络

　　作者提出利用波导高阶模式（TEn0模）作为馈电网络，从而替代传统的T型节、相位功分器以及巴伦等器件。相较于传统的1分n路功分器，高阶模式（TEn0模）波导能够将输入信号自动分成n路等幅反相的输出信号，这将有助于整个设备的实际物理通道数量的大幅度降低，从而降低设备的复杂度以及避免部分回波损耗。

　　（a）

　　（b）

　　图2 等效TE12,0模波导内瞬态电场（a）In-plane （b） Out-of-plane

　　要点3: 高加工鲁棒性的馈电网络

　　利用波导高阶模式（TEn0模）作为馈电网络还将有助于提升设备的加工鲁棒性，降低由有限加工精度导致的性能下降幅度。由于整个馈电网络利用波导高阶模式（TEn0模）作为传输模式，因此整个馈电网络工作在过模波导（overmoded waveguide）状态中，对应的波导尺寸是相同工作频率的TE10模波导的数倍。其次，由于TEn0模波导将输入信号自动分成n路输出信号，因此无需加工额外的通道间电分隔，从而避免引入更多的加工误差。另外，配合LTSA阵列所选用的较厚的基板，使得本设计具有极高的加工鲁棒性。

　　（a）

　　（b）

　　图3 LTSA阵列方向图（a）仿真结果（b）测试结果

　　文章链接：http://doi.org/10.1109/TAP.2021.3083802

　　文章来源：东大电磁空间   陈建锋   编辑：蒋睿哲    审核：张磊

　　基于时域数字编码超表面的宽带精确电磁谐波幅相调控与256 QAM毫米波无线通信

　　01、研究背景

　　而随着5G商用的推进，传输速率更高、延迟更低、带宽资源更丰富的5G毫米波成为了必然的选择。然而，更大的带宽与更高的载波频率在毫米波系统的部署过程中造成了极大的硬件挑战，包括功率放大器的非线性特性与基带信号IQ不均等。此外，当前基于大规模天线阵实现的高阶毫米波收发机硬件复杂、成本高昂，在很多场景下很难实际应用。因此，我们需要一种低成本、高效能的新型毫米波通信架构来解决这些问题。

　　02、成果简介

　　近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室崔铁军院士、程强教授课题组与移动通信国家重点实验室金石教授课题组在信息超材料领域取得新进展，基于时域数字编码超表面提出了一种全新的编码方法，能够在超宽的频带范围内实现对电磁谐波幅度和相位的精确调控。在此基础上，我们进一步提出并实际搭建了调制体制为256 QAM的高阶毫米波无线通信系统。新系统相较于传统的毫米波无线通信系统架构更为简单，因而极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”为题，于2021年7月29日发表在国际知名期刊《国家科学评论》（National Science Review）上。东南大学为第一署名单位，论文通讯作者为崔铁军院士、程强教授和金石教授，第一作者为东南大学硕士陈明正，合作者还包括东南大学博士唐万恺、戴俊彦、柯俊臣、张磊、张琤、杨进和北京大学李廉林教授。

　　超材料和超表面因其在调控电磁波方面灵活多变的能力，近年来吸引了广泛的研究兴趣。此外，PIN二极管和变容二极管等可调元件的应用使得我们能够实时重构超表面的功能，实现对电磁波的动态调控。基于可调与可重构超表面，崔铁军院士课题组提出了时域数字编码超表面以产生并精确控制电磁谐波（National Science Review, 6, 231-238, 2019）。时域数字编码超表面的出现引发了一系列新奇的物理现象，包括谐波波束调控、非线性极化综合、多普勒隐身和宽带频谱隐身等。尤其在无线通信领域，时域数字编码超表面巧妙地将信息科学中的信号处理算法与实时可编程的超表面单元相结合，获得了新的应用。一方面，时域数字编码超表面被研究用以智能地重构无线传输环境，从而增强网络覆盖；另一方面，时域数字编码超表面实时调控电磁波响应（例如，幅度和相位）的能力使得其成为一种新型的无线发射机。

　　图1 基于时域数字编码超表面的毫米波无线通信系统示意图

　　在文章中，研究者们提出了一种巧妙的编码方法，实现了对宽带电磁谐波幅度和相位的精确调控。具体而言，超表面的反射系数受偏置电压的控制在两种不同状态之间周期性地变化，从而产生了一系列以入射电磁波频率为中心频率的谐波信号。通过调制数字编码序列的占空比与时间延迟两个参数，研究者们能够精确而独立地控制所产生谐波信号的幅度和相位。基于这一谐波调控理论，研究者们进一步探索建立了调制体制为256 QAM的毫米波无线通信系统（如图1所示）。当一个单音信号入射到超表面上时，其将在数字编码序列的控制下被转化为一系列的谐波信号。我们选取+1阶谐波作为传输信息的载波，则视频和图片等信息流就能被映射为相应的编码序列流加载到超表面上，从而把信息调制到载波上，无需复杂的射频链路。

　　图2 实际搭建的系统原型样机及不同载波和调制频率情况下测试的256 QAM星座图

　　作为实验验证，研究者们实际搭建了工作在27-31.15 GHz的毫米波无线通信系统样机，如图2（a）所示。在实验过程中，整个系统可以稳定地以256 QAM的调制体制传输图片信息，并将接收到的星座点与图片展示在接收端屏幕上。图2（b-e）显示了实际接收到的星座图。实验结果证实了所提出的谐波调控方法的正确性与高阶调制无线通信系统的可行性。

　　03、小结

　　总之，这种宽带的谐波调控方法精度高、原理简单，使得我们能够搭建起调制体制达到256 QAM的毫米波无线通信系统。与需要复杂的基带算法与昂贵的射频器件的传统毫米波系统相比，我们的新架构系统以低廉的成本实现了良好的性能表现，在未来的6G移动通信与新体制雷达系统中具有广阔的应用前景。