太赫兹波束可调谐的编码超表面设计

编码超表面可以通过编码序列设计对波束进行灵活调控,文中提出一种基于二氧化钒(VO₂)的可调谐太赫兹编码超表面. 设计中借助可调谐单元与不可调谐单元,通过VO₂由绝缘态到金属态的相变,在0.97 THz处实现了多种远场波束的动态切换. 此外,还设计了双频带太赫兹编码超表面,在0.97和1.97 THz两个不同频率下均可实现双波束. 这项工作为设计可调谐编码超表面、实现波束间灵活调控开辟了一条新的途径,将在通信和雷达领域具有广泛的应用前景.     

太赫兹信息超材料与超表面

该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。      

新型太赫兹波束分离器的设计

近年来,随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展,基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离,波束转换效率高,结构简单且易于加工,同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配,着重研究了不同入射角度下的波束分离,并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°）,相对工作带宽可达52%,反射的四个波束功率相差不超过10%,这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案,也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。     

数字阵列天气雷达低副瓣天线设计

为天气雷达设计一维相扫相控阵天线,方位面副瓣低于-30 d B,波束宽度小于1°,俯仰面接收副瓣低于-40 d B。方位面波束采用窄边波导裂缝阵列天线实现,采用全数字T/R组件精确控制幅度和相位,实现低于-40 d B的俯仰面接收副瓣。测试结果表明,副瓣电平与波束宽度指标与理论值吻合较好,满足指标要求。     

基于数字超表面的低剖面波束控制天线

针对现有透射型超表面剖面高、难以可重构以及波束控制天线体积大的问题,提出一种基于单层数字超表面的波束偏转和宽窄波束切换天线实现方案. 数字超表面由5×7个双方环单元构成,通过在双方环单元中放置一个PIN二极管实现1比特的数字编码. 馈源天线采用具有寄生条带的微带背馈结构,数字超表面置于天线上方0.096λ₀的高度,通过控制每一列PIN二极管的偏置电压实现对天线波束的操控. 天线实测结果表明:在中心工作频率3.6 GHz处,波束偏转范围为0°~ ±45°;窄波束时增益8.5 dBi,宽波束时增益6.7 dBi,同时宽波束天线的3 dB波束宽度约为窄波束天线的两倍, 测试结果与仿真结果吻合较好. 该天线具有低剖面多功能特点,可应用在车载通信和机载通信等多个领域.     

可产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源

基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压，对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上，通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度；经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成，可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。     

太赫兹超大规模3D MIMO系统中的波束斜视补偿技术

太赫兹通信技术凭借超大带宽的优势成为未来6G的关键技术之一。超大规模天线技术可以提供巨大的空间分集,提升频谱效率,同样在6G无线通信系统中起到关键作用。在基于移相器的大规模MIMO（multiple-input multiple-output）混合预编码中,由于太赫兹频段的超大带宽,不同频率的子载波信道具有不同的等效空间方向,发射端波束形成时,将带来严重的波束斜视问题。与此同时,随着天线规模的不断增长,超大规模天线技术的应用更进一步扩大了波束斜视造成的影响。针对超大规模天线阵列带来的波束斜视现象放大问题,本文利用3D MIMO平面天线阵列来改善这一状况。为进一步改善太赫兹频段超大带宽引起的波束斜视,在3D大规模MIMO系统的基础上,本文提出了基于两层移相器结构的混合预编码方案,利用第二层移相器,对不同频率的子载波进行补偿。实验结果表明,本方法可以有效地弥补波束斜视带来的阵列增益损失,实现接近最优的系统性能。      

太赫兹赋形面天线技术

概述太赫兹技术及太赫兹天线的发展状况,重点介绍太赫兹赋形面天线技术在太赫兹准光系统、太赫兹通信系统、太赫兹成像系统等领域的应用。赋形面技术主要基于能量守恒定律和等光程原理将出射的波束转换成要求的场分布。赋形反射面能够实现标准反射面不能实现的功能。因此赋形面技术将大大拓展现有的反射面天线在太赫兹波段的应用场景,并能提高太赫兹系统的幅度和相位特性。     

一种低轨卫星通信天线多工作模式波束实现技术

在分析低轨卫星通信系统中不同链路所需波束类型的基础上,将所需波束类型归纳为宽波束和可切换点波束两大类,进而提出了用一副相控阵天线来实现这两种波束的方式。以16×16单元顺次旋转切角阵为研究对象,采用最小二乘优化方法综合阵列方向图,得到对地等通量覆盖的宽波束;合理设计波束分布,采用相控阵常规的波束切换功能,得到点波束覆盖图。仿真结果表明,宽波束和可切换点波束均能实现对星下±55°范围的覆盖。相比常规的多天线方式,这种多工作模式波束实现技术大大降低了卫星系统的复杂度,降低了设计、集成、测试和维护卫星天线系统的时间和成本,降低了卫星平台天线布局的难度,因此具有重要意义。     

一款具有稳定扫描波束分辨率的宽视角相控阵天线北大核心CSCD

基于自适应稀疏阵的结构,提出了一种具有宽视角与稳定扫描波束分辨率性能的相控阵天线。阵列单元是可以在相同谐振频率下实现TM;和TM;两种模式共同工作的单激励圆环贴片天线,其具有140°的半功率波束宽度,这种宽波束辐射效果能够较好地拓展相控阵天线的扫描范围。基于此单元构建了一个35元线阵,对其波束扫描分析发现在限定增益波动小于2 dB的条件下阵列扫描范围可以达到-70°~+70°,但主瓣波束宽度随着扫描角度的增加而增大。为解决这个问题,引入了自适应稀疏阵的概念,并采用基于互耦补偿矩阵的迭代快速傅里叶变换(Iterative Fast Fourier Transform,IFFT)技术进行自适应稀疏阵的优化设计。结果表明,所提出的基于自适应稀疏阵结构的35单元相控阵天线在-60°~+60°扫描范围内增益波动始终小于1.5 dB,波束宽度波动小于1°,且峰值旁瓣电平基本保持在-20 dB以下。相较于均匀周期阵列,所提出的自适应稀疏相控阵天线能够在实现低旁瓣宽视角扫描的同时,有效提高天线在宽角度范围内扫描波束分辨率的稳定性。     

一种DBF体制卫星接收共形相控阵天线

提出了一种全数字波束合成(digital beam forming, DBF)体制卫星接收共形相控阵天线设计思路.该天线采用半球形共形阵排布方式, 阵元采用双层微带贴片天线实现宽带圆极化.在半球形的布局下, 通过判断卫星信号来波方向在球面上的投影来选择工作的阵元, 形成与来波方向一致的波束, 在全空域(—75°~75°)的仰角内可实现增益起伏小于1.5 dB的波束覆盖; 后端采用射频数字一体化设计技术, 可同时形成多个波束, 实现了一个天线跟踪多颗卫星的能力.最后加工和测试了天线样机, 验证了共形半球阵的波束形成能力.提出的天线设计思路有助于拓展数字波束体制在卫星通信中的应用, 对全空域多波束相控阵天线的研制具有指导意义.     

低成本风廓线雷达相控阵天线设计

本文针对风廓线雷达相控阵天线波束扫描特点,提出一种利用周期同相馈电法与驻波子阵形式相结合的设计方案。天线系统只需要五个移相器就可以实现相应的五波束扫描,简化了波束控制系统,降低了天线系统的复杂度与成本。     

一种轻巧型接收数字波束雷达系统的实现

针对数字波束相控阵雷达多通道问题,提出利用多路复用技术实现全数字阵接收多波束相控阵雷达的一种解决方案。天线阵列直接采用高频二相调制,将接收多通道直接模拟合成一路传输处理,基带提取各个天线单元回波数据信号、相位幅度加权,基带实现任意接收数字多波束。该技术突破单通道数字波束相控阵雷达接收技术,使天线体积大幅度减小,雷达系统轻巧,低成本;灵活软件配置阵列,降低调试、测试、工艺、加工复杂难度,有利于雷达综合性能提升。     

太赫兹超材料分束器设计及其特性分析

提出一种超材料太赫兹分束器,其单元结构由顶层金属条带、中间介质层和底层金属板组成。利用4个旋转步进为45°的单元周期排列构成了4×4的相位梯度超表面。当太赫兹波垂直入射到阵列表面时,电磁波被反射成四束能量相等但传播方向不同的波,且不同频点的反射角不同。该分束器具有体积小、成本低的优点,可应用于太赫兹隐身和太赫兹成像等方面。     

一种适用于圆柱形平台的共形数据链天线设计

文章介绍了一种可与圆柱体表面共形的具有全空间覆盖能力的相控阵天线,天线采用腔体缝隙单元,一维宽波束,另一维相控波束扫描,可实现圆柱体平台与卫星无缝链接,在有共形要求的中继卫星终端天线中有良好的应用前景。     

Performance evaluation of a cellular base station multibeam antenna

Experimental test results are used to determine the performance that can be achieved from a multibeam antenna array, with fixed-beam azimuths, relative to a traditional dual-diversity three-sector antenna configuration. The performance tradeoffs between the hysterisis level, switching time, and gain improvement for a multibeam antenna are also examined. The multibeam antenna uses selection combining to switch the signals from the two strongest directional beams to the base station's main and diversity receivers. To assess the impact of beamwidth on overall system performance, the following two multibeam antennas were tested: a 12-beam 30° beamwidth array and a 24-beam 15° beamwidth array. Both multibeam antennas were field-tested in typical cellular base station sites located in heavy urban and light urban environments. Altogether, the system performance is evaluated by investigating three fundamental aspects of multibeam antenna behavior. First, the relative powers of the signals measured in each directional beam of the multibeam antenna are characterized. Then, beam separation statistics for the strongest two signals are examined. Gain improvements achievable with a multibeam antenna compared to the traditional sector configuration are determined in the second phase of the analysis. Results indicate that in excess of 5 dB of gain enhancement can be achieved with a 24-beam base station antenna in a cellular mobile radio environment. Finally, the effects of hysterisis level and switching time are characterized based on gain reductions relative to a reference case with no hysterisis and a 0.5-s switching decision time. Useful approximations are developed for the gain effects associated with varying hysterisis levels and switching times. The resulting design curves and empirical rules allow engineers to quantify multibeam antenna performance while making appropriate tradeoffs for parameter selection     

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足,有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性,卫星通信对天线性能,如波束控制能力和天线增益等,也提出了更为严苛的要求。因此,对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface,RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控,从而实现波束成形。基于 RHS 的硬件结构和全息工作原理,提出了一种 RHS 辅助多卫星通信方案,该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时,设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线,RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。     

Design of a Compact Millimeter-Wave Microstrip Antenna with Wide Bandwidth and Broad Beamwidth

Design of a novel compact millimeter-wave microstrip antenna with wide bandwidth and broad beamwidth is presented. In the structure, multiple layers and a parasitic element as well as a coupling aperture are used to achieve wideband, while a conducting cylinder and the coupling aperture are used to obtain broad beamwidth. Finally, phased array with eight present elements has been designed as an example. Compared to traditional microstrip antennas and arrays, present antenna and array are of smaller dimension and broader beamwidth as well as wider bandwidth.     

实现频率步进相控阵雷达宽带宽角扫描的一种方法

相控阵雷达天线在进行宽带宽角扫描时,天线波束会“色散”,使得到的距离像展宽,从而降低了系统分辨率。频率步进信号是常用的合成宽带信号,该信号在各脉冲周期内均是窄带的。因此,频率步进相控阵雷达可以通过脉间配相的方法,解决相控阵天线波束随频率“色散”的问题,使其能够在宽角扫描下合成宽带信号,获得高分辨的目标距离像。该方法具有设备变动小易于实现的优点。