超表面相控阵天线在卫星通信系统领域的应用方案

作者简介

王鲁一，张子阳，施宏宇，衣建甲，

陈娟，张安学

（西安交通大学 信息与通信工程学院，西安 710049）

低轨通信卫星系统因其传输延迟小、通信容量大、发射运营成本低等优势，受到了国内外的广泛关注。然而，低轨通信卫星技术的发展对星载天线系统提出了挑战。为提高卫星星座的通信容量以及实现对用户的跟踪覆盖，波束扫描、波束可重构及多波束覆盖不可或缺。在低成本建设运营的背景下，迫切地需要一种低成本的天线系统方案。作为一种低成本新型相控阵技术，综述了超表面相控阵天线技术及其在波束调控中的应用。首先对超表面天线波束形成的方法进行了简单的研究，之后介绍了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段，最后介绍了超表面相控阵天线在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。该技术相较于传统相控阵技术，大幅降低了成本，且在电磁波极化、频率调控中展现出巨大的灵活性。通过对该技术的综述，展望了超表面相控阵在低轨通信卫星中的应用。

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引言

卫星通信系统，特别是高通量低轨卫星通信系统，目前受到了广泛地关注，其研究和应用也取得了快速的进展。通信卫星是指在地球轨道上作为无线电通信中继站的人造地球卫星，通过反射或转发无线电信号，实现卫星通信地球站之间或地球站与用户之间的通信。与其他通信体制相比，卫星通信系统具有覆盖范围广泛、不受时空约束、通信容量大、信息传输更加安全等优势，可以通过卫星组网的方式实现真正意义上的全球覆盖。

天线技术是卫星通信的关键技术。星载天线系统通过产生定向或可扫描的波束覆盖地面目标，从而实现星地之间的通信连接。进一步的，多波束方案采用多个波束对地进行覆盖，在提升系统通信容量的同时，还可极大提高系统等效全向辐射功率。

应用在卫星上的通信天线，根据其工作原理及结构的不同，可大致分为反射面天线、透镜天线及直接辐射式阵列天线3类[1-3]。反射面天线由于其技术成熟、重量轻、结构简单、成本低廉等优点，是目前星载通信天线中应用最为广泛的一类。透镜天线利用了电磁波在不同介质中传播特性的不同，通过较为复杂的形状以及材质设计，使产生的波束具有较好的方向性。直接辐射式阵列天线即相控阵，通过对阵元合理的幅度相位调控，其可以实现高度灵活的波束调控。然而，在低成本建设运营的背景下，上述星载天线方案或因其较为庞大的体积重量及剖面，或因其高昂的建设成本，给低轨通信卫星的发展造成了挑战。

为解决上述难点，本文着眼于低成本超表面相控阵技术，综述了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段。超表面因其对电磁波幅度、相位、极化、频率等维度强大的调控能力被科学界与工程界广泛关注。由大量阵列排列的超表面单元组成的超表面天线在实现波束形成的基础上，还可进一步地引入可重构元素，从而实现电磁波波束的可重构控制。同时综述了超表面天线波束形成的方法，包括连续相位控制法、离散相位控制法、幅度相位联合控制法及各种优化算法等。最后，介绍了超表面相控阵在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。通过对该技术的综述，展望了超表面相控阵波束控制技术在低轨卫星通信系统中的应用，为低成本卫星波束控制提供技术思路和参考。

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超表面天线波束形成方法

超表面通常指准二维的人工电磁媒质，因其厚度远小于波长而称为“表面”。该准二维特性有益于降低系统剖面，是超表面的一个重要技术优势。通常来说，超表面天线由一个馈源与超表面组成，经由超表面上大量的单元产生特定的电磁响应，可以调控馈源辐射至超表面上的电磁波响应，进一步地实现特定反射或透射波束的形成。可见，超表面天线波束形成的一个关键是设计合适的表面电磁响应，即超表面天线波束形成算法。在应用中可进一步通过查表法或快速计算法[4]获得所需波束的相移或幅度。

超表面的单元尺寸通常小于或远小于半波长，且常组成正方形、矩阵或圆形周期阵列，也可实现共形的设计。在评估超表面天线波束形成算法时，可采用天线阵列法等效近似而获得较好的效果。

1.1唯相位波束形成

超表面单元可以轻松实现对电磁波相位的调控，因而使用唯相位波束形成是一种较容易实现的方案。在卫星应用中，唯相位调控也有益于提高天线效率，降低能耗。首先假设馈源以平面波方式照射一个由400个单元组成的矩形超表面。如图1（a）所示，类比天线阵的原理，可以获得（30°，60°）出射单波束超表面口面相位分布。其形成单波束的远场幅度方向图如图1（b）所示。

值得注意的是，上述算法中假定超表面可以实现连续的相位调控。而实际的设计中，为降低设计及加工复杂度，通常采用相位离散化的超表面结构，以1bit和2bit离散相位超表面居多。如图1（c）和（d）所示，相位2bit的离散化仍可实现较好的单波束形成，尽管由于离散误差，造成旁瓣水平略有上升；而相位1bit的离散化则会产生对称角度的无关波束，影响实际系统应用。使用球面波馈源激励超表面，从而引入伪随机的离散误差可以解决这一问题。一些文献也提出了预相位的方案以避免对称双波束的产生[5]。

在双波束以及多波束的产生方面，该算法将多个单波束的相位分布进行矢量叠加，从而获得最终的口面相位分布，仍可实现较好的效果。如图1（e）和（f）所示，相位2bit的离散的双波束产生受到了离散误差的影响，但通过合理的离散区间的选择，算法依然有效。

图1超表面天线唯相波束形成方法

1.2幅相同调波束形成

在低旁瓣等应用中，一个可行的方案是对超表面的幅度相位进行同时调控，在牺牲部分效率的前提下满足旁瓣的设计需求。相关文献中提出了幅度相位同时可调的超表面单元设计[6-7]，并在此基础上，类比切比雪夫分布对超表面口面的幅度进行了调制，实现了-25dB或更低的旁瓣水平。

1.3全息波束形成

与调控电磁波的幅度和相位不同，全息超表面在引申发展了光学全息概念的基础上，提出了通过超表面实现所需表面阻抗或通过超表面记录干涉幅度条纹等方式以实现电磁波束调控。其基本原理为：将超表面的馈源波束作为参考光波，将所需的目标波束作为物光波，在超表面口径处计算参考光波与物光波的干涉幅度并用超表面进行记录，或是将参考光波与物光波的干涉场转换为表面阻抗的分布并用超表面进行记录。当产生目标波束时，用参考光波（即原定的馈源波束）照射超表面，即可获得所需的目标波束。

设定参考光波为一个距离超表面两倍波长高度处的球面馈源，而目标波束则为一个指向（30°，-120°）的单波束。两者在超表面口面处的干涉幅度经采样后如图2（a）所示。当超表面将该干涉幅度记录后，再用一个相位中心距离超表面两倍波长的馈源进行照射，可以得到如图2（b）所示的远场目标波束。

由于全息波束形成算法中，目标波束可以直接给出，因而在多波束甚至更为复杂的波束形成中有着特别的优势。如图2（c）和（d）所示，全息波束形成算法可以较好的获得等幅多波束，不等幅多波束等。

图2超表面天线全息波束形成方法

1.4其他波束形成方法

利用超表面技术实现波束调控，包括波束形成、波束扫描、多波束、赋形波束等应用不限于上述方法。首先，可以结合文献中的各种成熟波束形成算法将其迁移应用至超表面技术中，如文献[8]中，通过梯度投影的算法实现了唯相位的低旁瓣波束形成，又如文献[9]中，利用1bit离散相位超表面，实现了和差波束的产生。文献[10]利用了相位连续可调的超表面单元结构，实现了赋形波束的产生并应用在卫星上。

此外，各类优化算法也在超表面天线波束形成中展现出重要的作用。如在文献[11]中，利用遗传算法设计了1bit离散相位的超表面口面分布，分别实现了多波束、宽波束以及余割平方波束等应用。考虑到超表面电磁响应离散化带来的误差，包括遗传算法、粒子群优化算法，模拟退火算法在内的各种优化算法在旁瓣控制，优化波束质量等方面的作用愈发不可或缺。

近些年来，深度学习等思想在众多领域开花结果，其中也包括超表面天线领域[12-13]。深度学习在超表面天线波束形成中的应用思想如下：首先设计一个架构适当的深度神经网络，将超表面上各个单元独立的电磁响应作为输入层，再将所需的远场波束进行空间角度采样，并作为深度神经网络的输出层。接下来通过仿真或者计算获得大量输入输出相对应的样本，作为深度神经网络的训练集以得到一个参数合理的神经网络。该方法的优势在于，一旦完成网络的训练，即可快速地根据任意口面分布获得远场特性，或是反向地得到任意远场特性所对应的口径分布参数。

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超表面电磁调控机理及可重构方法

第1章中介绍了超表面天线波束形成的技术，而其实现的关键在于设计合适的超表面结构，使之可以对电磁波产生特定的幅度及相位响应。本章首先介绍常用的谐振型单元设计法，几何相位型设计法以及耦合导波辐射型设计法。针对波束扫描、波束可重构等应用，还需要超表面口面的电磁响应能随控制进行变化，因此本章还将介绍超表面电磁响应可重构的方法，包括机械可重构、半导体器件加载可重构以及特殊材料使能的可重构等。

2.1超表面电磁调控机理

谐振型电磁超表面单元通常由介电材料与表面印制的金属结构组成。当电磁波照射至超表面上时，其结构可等效为一系列的分布式电容电感，从而组成等效的微波电路对电磁波产生响应。如图3（a）所示，黄色部分为超表面单元金属结构。两部分金属之间的间隙可等效为分布电容，金属部分可等效为分布电感，从而组成等效的微波电路。当改变金属部分的尺寸时，可以调谐各种等效分布参数，从而控制超表面单元的谐振点，进而实现对电磁波的调控。由于谐振型结构的特性，其工作带宽往往受到限制，对电磁波造成的损耗也较大。

几何相位型电磁超表面单元，如图3（b）所示，通常也由介电材料与表面印制的金属结构组成，但其工作原理与谐振型单元有着本质区别。几何相位原理指出，电磁波在极化转换的过程中会获得一个额外的相位变化，具有改变圆极化电磁波相位的能力。在具体的实现中，超表面上的金属结构常设计为对正交极化各向异性，当圆极化电磁波照射至超表面时，出射的圆极化电磁波旋向会反向。进一步的，当旋转表面上的金属结构某角度后，出射的圆极化电磁波不仅旋向会反向，并且会附加一个额外的相位，其值等于两倍的结构旋转角度。由于几何相位型的工作原理与谐振无关，其工作带宽不受限制，文献中也常见超过100%相对带宽的工作[17-18]。

耦合-导波-辐射型电磁超表面的提出受到了透射阵列与反射阵列的启发，其拓扑结构如图3（c）所示，包含一个接收电磁波的耦合层，一个传输电磁波的导波层以及一个辐射电磁波的辐射层。入射至耦合-导波-辐射型超表面电磁波首先被耦合层耦合为导波模式，然后传输至导波层。导波层可以实现对信号的相移，滤波，倍频，功率放大等功能。经过调制的电磁波最后由辐射层再次辐射至自由空间，完成对电磁波的调控。得益于其特有的拓扑结构，耦合-导波-辐射型电磁超表面的设计自由度更大，每层结构可以独立设计再进行组合，并且可以广泛结合成熟的微波电路设计理念。在电磁调控性能方面，耦合-导波-辐射型表面电磁响应线性度高，损耗更低，同时在宽带响应，极化调控等设计上更为直接。

图3超表面电磁调控机理

2.2超表面电磁响应可重构方法

针对低轨卫星天线系统，有波束扫描，波束可重构等应用需求，这对天线口面电磁响应提出了可重构的要求。传统的相控阵天线依靠大量的移相器、衰减器以动态调节天线口面的幅相分布，或是通过数字波束形成的方法动态调控天线口径状态。对超表面技术而言，实现电磁响应可重构的方法则更丰富，且成本远低于传统方法。包括机械可重构、半导体器件加载可重构以及特殊材料使能的可重构等各种方法。最终目的均为动态调控超表面电磁响应，包括但不限于幅度、相位、极化、频率等。

2.2.1机械可重构

机械可重构指使用电机或其他机械结构以重构超表面，从而改变超表面电磁响应的方式。如图4（a）所示，超表面结构上集成了微电机。微电机的工作带动超表面旋转可控的角度。根据上述几何相位原理，可对圆极化电磁波产生可控的相位响应。该文献中设计的超表面成功实现了宽带范围内圆极化电磁波的聚焦。文献[19]使用相似的方法，用微电机带动单元的旋转，从而动态控制电磁波的反射相位，实现了最大60°的波束偏折。

图4超表面响应可重构方法

机械可重构本身往往不参与电磁响应，而是通过机械控制电磁响应单元来实现。因此这种方案对单元特性影响较小，控制效果较好。但由于较慢的响应速度，以及机械系统较大的尺寸，其应用受到一些限制。

2.2.2半导体器件加载可重构

第一章中提到，谐振型超表面单元可等效为一系列的分布式电容电感，从而组成等效的微波电路对电磁波产生响应。因此，加载半导体器件直接调节电路RLC参数是一类很好的手段，也是目前受到最多关注和应用的方案。

PIN二极管是一类根据直流偏压产生不同开断特性的二极管。当正向偏压时，典型的PIN二极管等效为一电感和小电阻的串联。反偏时可简单等效为一小电容和电感的串联。当把PIN二极管加载在超表面结构上时，通过调节偏压大小让其在正偏与反偏之间改变，即可实现电磁响应的可重构，如图4（b）所示。文献[11]中，当PIN二极管在正偏或反偏状态切换时，电磁波的反射相位可产生180°的变化，即满足1bit离散相位的需求。

变容二极管工作在反偏状态，其等效的电容值随反偏电压的增大而减小。利用这一特点，可将变容二极管集成至超表面单元结构中，通过改变其反偏电压，等效的改变超表面的电磁响应状态。如图4（c）所示，文献[14]设计了加载变容二极管的谐振型超表面结构，随着二极管容值的改变，超表面的谐振频率也随之改变。经过叠层设计，最终实现了在5.35GHz处透射相位360°连续可调。

相比PIN二极管，虽然变容二极管加载可以实现连续的电磁响应控制，但其损耗较大，设计难度更高，对控制系统的要求也更大。根据应用需求，合理的权衡各种控制方式，是超表面可重构设计的重要内容。

半导体器件加载可重构不局限于上述器件，从原理上分析，任何可以产生电响应的器件均可以参与设计。如在文献[21]中，作者将射频放大器引入超表面，实现了反射电磁波幅度的增强。在文献[22]中，作者将射频倍频器引入了耦合-导波-辐射型电磁超表面的导波层，将入射电磁波倍频后再辐射至自由空间。文献[23]则将微机电系统引入设计中，在更小的尺度实现机械调控，在太赫兹等高频场景下发挥重要作用。

2.2.3特殊材料使能的可重构

可在外界激励下改变状态的材料也可用于可重构超表面的设计。文献[24]中设计了一种透射型可重构超表面，并在顶面加载了液晶层。该液晶在低温时排列取向平行，在高温时取向趋于无规则，导致其折射率随温度变化。该文献通过液晶的加载，实现了透射波束随温度可控的偏折。

石墨烯也被应用在可重构超表面的设计中。当有电压施加在石墨烯上时，其费米能级将发生变化，从而导致导电性的变化。根据此特征，文献[25]设计了一个集成石墨烯的超表面结构。通过调控石墨烯两端电极的电压，可以动态调节超表面吸波的峰值。相似的，相变材料、液态金属也被用在超表面重构设计中。这些方案可在特定应用背景下提供可重构的思路。

表1从适用频段，损耗，响应速度，调控难度等方面对比了上述超表面电磁响应可重构方案。针对目前低轨卫星主流的Ku、Ka频段，PIN二极管，变容二极管以及机械重构方案均适用。二极管可重构方案响应快，控制电路实现成本与功耗较低，相比机械可重构方案在结构可靠性上表现更好。但在损耗表现上仍有进一步提高的必要。

表1超表面电磁响应可重构方案对比

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超表面相控阵天线系统

第一章和第二章分别介绍了超表面天线波束控制算法以及实现超表面电磁调控的方法和可重构手段。本章将从系统层面展开，介绍超表面相控阵在波束调控领域的发展情况。面向低轨卫星通信应用所急需的低成本天线系统，提出超表面相控阵这一技术方向。

3.1空间馈电式超表面相控阵

3.1.1单馈源空馈超表面相控阵

如图5（a）所示，在空馈超表面相控阵的典型配置中，存在外部馈源，它可以是近处的喇叭天线，也可以是距离足够远，可近似为平面波的源。而根据超表面电磁响应的不同，可分为数字超表面相控阵与模拟超表面相控阵。根据上文介绍，可知数字超表面设计复杂度较低，损耗也更好控制，但其离散的电磁响应会引入误差，影响波束质量。模拟超表面则具有连续的电磁响应控制能力，适用于更复杂的波束控制场景。文献[26]与文献[27]分别采用数字式与模拟式超表面方案，在半空间实现了较好的波束扫描效果。在多波束产生方面，数字式与模拟式超表面相控阵也获得了较好的应用效果。文献[28]和[29]均展示了单馈源空馈超表面的多波束产生。

值得注意的是，由于超表面设计的灵活性，电磁波不仅可以在超表面上透射或反射，也可实现透射反射并存，且波束均可调控。如文献[30]实现了上下两个半平面波束的同时产生与调控；文献[31]则更进一步地在全空间实现了波束偏折和涡旋波束的产生。

在卫星通信应用中，极化复用是扩展通信容量的一种手段。在超表面的设计中，利用结构的对称性或进行非对称设计[32]，即可实现极化无关或双极化的电磁响应。使用这种设计，便可进一步获得极化可复用的波束。

近些年来，时间域可重构超表面天线的概念也被提出。其技术原理参考了时间调制天线，通过在时域上周期或非周期的控制超表面电磁响应，可对入射电磁波在频率进行搬移，同时形成包括基波和高次谐波在内的多个波束。该方案有望应用在低轨卫星通信中多波束频率复用上，用较低的成本同时实现多波束覆盖以及频率复用。

图5空间馈电式超表面相控阵

3.1.2多馈源空馈超表面相控阵

与3.1.1节中的超表面相控阵方案不同，也可以将多个空馈馈源与超表面进行联合设计，类似反射面天线中单馈源和多馈源的区别。多个空馈馈源的方案便于多波束的产生，集成多个射频通道的馈源也有助于系统通信容量的进一步提升。文献[34]中使用一个7端口馈源和透射型超表面实现了7波束的形成，每个波束对应一个馈电端口。如图5（b）所示，文献[33]中借助几何相位型透射超表面，实现了21馈源21圆极化波束的产生。该方案为低轨通信卫星实现通道独立的多波束提供了方案。

3.1.3折合式超表面相控阵

3.1.1与3.1.2节介绍的空间馈电式超表面天线存在系统剖面高的劣势。如图6所示的折合式超表面天线可以较好的改善这一点。在折合式超表面方案中，空间馈源被放置在超表面平面上，通常在中心位置（相对应的超表面区域则被挖空）。通过在上方加载极化选择器，可以首先将馈源辐射出的电磁波反射至超表面口面上，经由超表面进行波束调控和极化转化后，再透射过极化选择器，最终实现波束的形成。折合式超表面天线大幅降低了系统剖面高度，有利于降低低轨通信卫星的载荷，进一步提高系统集成度。

图6折合式超表面天线

3.2表面波馈电式超表面相控阵

全息超表面天线指的是利用全息波束形成技术计算口面阻抗或幅度分布的超表面。尽管全息超表面设计中，仍可将空间馈源作为参考光进行计算[36]，但更多的设计都采用了表面波的方式作为参考光波，即在超表面口面某一位置处设置馈电结构（常为単极子天线），从而实现极低的超表面天线系统剖面。如图7（a）所示，文献[37]中，用全息阻抗超表面和口面中心处的点馈源实现了至多4波束的合成。

3.3波导馈电式超表面相控阵

如图7（b）所示，波导馈电式超表面天线将波导馈电与超表面设计相结合[38]，其工作原理类似漏波天线。每个超表面单元可独立控制其漏波状态，对辐射强度或相位进行控制，从而实现波束调控。文献[39]集成设计了波导馈电结构以及2bit相位调控超表面单元，在Ka波段实现了波束扫描以及和差波束的产生，系统总体剖面仅为12mm。文献[40]将波段馈电结构与加载变容二极管的超表面单元结合，同样实现了具有一定角度范围的波束扫描和多波束合成。相较于空间馈电方案，表面波馈电式与波导馈电式方案剖面低，集成度高，口面效率高。

图7低剖面超表面方案

3.4主动辐射式超表面相控阵

在这一类超表面天线的设计中，每个超表面单元不仅完成对电磁波的响应，同时也作为初级的辐射源，以进一步省去馈源，降低设计复杂度。同时主动辐射式超表面天线也有着更好的口面效率以及辐射效率，在星载等应用中有较好的前景。文献[41]介绍了一种主动辐射式超表面设计，超表面单元结合几何相位和谐振相位完成对左右旋圆极化电磁波的相位控制，同时每个单元也是一个独立的辐射源。实现了左右旋圆极化波非对称的偏折，系统剖面高度仅为0.07倍波长。相较于传统的依靠馈电网络的平面阵列，该设计在单元层面完成了相位调控，具有更简化的架构，如表2所列。

    表2卫星通信天线技术方案对比

为更好地对比各种卫星通信天线技术方案，表2从成本、体积/剖面、效率以及主要性能与应用5个方面进行了分析。其中，超表面相控阵技术在成本以及体积方面展现出巨大优势。在高性能单元设计的基础上结合先进的波束形成算法，超表面相控阵技术可实现较高的口面效率和较大的扫描范围。在星载应用中，可以采用充气式或折叠式的超表面方案，从而获得大口径带来的高增益优势。

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结论与展望

低成本超表面相控阵技术发展日益完善，展现出对电磁波多维度的强大调控能力。本文综述了超表面相控阵技术及其在波束调控中的应用。首先从唯相波束形成、全息波束形成，优化算法波束形成等角度介绍了超表面天线波束形成的方法，之后介绍了谐振型、几何相位型以及耦合-导波-辐射型超表面电磁调控的机理，以及机械可重构、半导体器件加载可重合，以及特殊材料可重构手段，最后介绍了多种类型的超表面相控阵系统在波束形成，波束扫描，多波束产生中的应用。

超表面天线技术的发展提供了一种低成本波束调控的思路。其无需传统相控阵中大量的射频组件即可实现波束的灵活形成、扫描和多波束产生，可满足低轨通信卫星天线系统星地、星间通信波束的需求。

针对星载应用中的低成本超表面相控阵技术，还需对以下3个方面进行进一步研究：

1）超表面功率容量研究。当前有关超表面的研究罕见功率容量的分析，针对电磁波功率较高的场景，是否会对超表面设计，尤其是可重构器件设计产生影响。

2）超表面功耗研究。超表面的波束扫描需要对每一个单元进行动态调控，这会带来部分功耗。尽管变容二极管可重构方案等具有较低的功耗，其能否适应星载平台也需定量研究。

3）可重构超表面电磁特性建模与优化研究。尽管可重构超表面具有较好的相位响应，但其插入损耗水平依旧较高。针对如星载应用等总功率受限场景，可重构超表面电磁特性的进一步优化仍具有挑战。

在可展望的未来，超表面天线技术有望在低轨通信卫星天线系统中发挥其低成本、低剖面、高度灵活性的优势，为星地、星间通信系统提供良好的物理层基础。

编辑：黄飞