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作者簡介
王魯一，張子陽，施宏宇，衣建甲，
陳娟，張安學
低軌通信衛星系統因其傳輸延遲小、通信容量大、發射運營成本低等優勢，受到了國內外的廣泛關注。然而，低軌通信衛星技術的發展對星載天線系統提出了挑戰。為提高衛星星座的通信容量以及實現對用戶的跟蹤覆蓋，波束掃描、波束可重構及多波束覆蓋不可或缺。在低成本建設運營的背景下，迫切地需要一種低成本的天線系統方案。作為一種低成本新型相控陣技術，綜述了超表面相控陣天線技術及其在波束調控中的應用。首先對超表面天線波束形成的方法進行了簡單的研究，之后介紹了超表面電磁調控的機理以及實現可重構的手段，最后介紹了超表面相控陣天線在波束形成、波束掃描、多波束產生中的應用。該技術相較于傳統相控陣技術，大幅降低了成本，且在電磁波極化、頻率調控中展現出巨大的靈活性。通過對該技術的綜述，展望了超表面相控陣在低軌通信衛星中的應用。
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引言
衛星通信系統，特別是高通量低軌衛星通信系統，目前受到了廣泛地關注，其研究和應用也取得了快速的進展。通信衛星是指在地球軌道上作為無線電通信中繼站的人造地球衛星，通過反射或轉發無線電信號，實現衛星通信地球站之間或地球站與用戶之間的通信。與其他通信體制相比，衛星通信系統具有覆蓋范圍廣泛、不受時空約束、通信容量大、信息傳輸更加安全等優勢，可以通過衛星組網的方式實現真正意義上的全球覆蓋。
天線技術是衛星通信的關鍵技術。星載天線系統通過產生定向或可掃描的波束覆蓋地面目標，從而實現星地之間的通信連接。進一步的，多波束方案采用多個波束對地進行覆蓋，在提升系統通信容量的同時，還可極大提高系統等效全向輻射功率。
應用在衛星上的通信天線，根據其工作原理及結構的不同，可大致分為反射面天線、透鏡天線及直接輻射式陣列天線3類[1-3]。反射面天線由于其技術成熟、重量輕、結構簡單、成本低廉等優點，是目前星載通信天線中應用最為廣泛的一類。透鏡天線利用了電磁波在不同介質中傳播特性的不同，通過較為復雜的形狀以及材質設計，使產生的波束具有較好的方向性。直接輻射式陣列天線即相控陣，通過對陣元合理的幅度相位調控，其可以實現高度靈活的波束調控。然而，在低成本建設運營的背景下，上述星載天線方案或因其較為龐大的體積重量及剖面，或因其高昂的建設成本，給低軌通信衛星的發展造成了挑戰。
為解決上述難點，本文著眼于低成本超表面相控陣技術，綜述了超表面電磁調控的機理以及實現可重構的手段。超表面因其對電磁波幅度、相位、極化、頻率等維度強大的調控能力被科學界與工程界廣泛關注。由大量陣列排列的超表面單元組成的超表面天線在實現波束形成的基礎上，還可進一步地引入可重構元素，從而實現電磁波波束的可重構控制。同時綜述了超表面天線波束形成的方法，包括連續相位控制法、離散相位控制法、幅度相位聯合控制法及各種優化算法等。最后，介紹了超表面相控陣在波束形成、波束掃描、多波束產生中的應用。通過對該技術的綜述，展望了超表面相控陣波束控制技術在低軌衛星通信系統中的應用，為低成本衛星波束控制提供技術思路和參考。
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超表面天線波束形成方法
超表面通常指準二維的人工電磁媒質，因其厚度遠小于波長而稱為“表面”。該準二維特性有益于降低系統剖面，是超表面的一個重要技術優勢。通常來說，超表面天線由一個饋源與超表面組成，經由超表面上大量的單元產生特定的電磁響應，可以調控饋源輻射至超表面上的電磁波響應，進一步地實現特定反射或透射波束的形成。可見，超表面天線波束形成的一個關鍵是設計合適的表面電磁響應，即超表面天線波束形成算法。在應用中可進一步通過查表法或快速計算法[4]獲得所需波束的相移或幅度。
超表面的單元尺寸通常小于或遠小于半波長，且常組成正方形、矩陣或圓形周期陣列，也可實現共形的設計。在評估超表面天線波束形成算法時，可采用天線陣列法等效近似而獲得較好的效果。
1.1唯相位波束形成
超表面單元可以輕松實現對電磁波相位的調控，因而使用唯相位波束形成是一種較容易實現的方案。在衛星應用中，唯相位調控也有益于提高天線效率，降低能耗。首先假設饋源以平面波方式照射一個由400個單元組成的矩形超表面。如圖1（a）所示，類比天線陣的原理，可以獲得（30°，60°）出射單波束超表面口面相位分布。其形成單波束的遠場幅度方向圖如圖1（b）所示。
值得注意的是，上述算法中假定超表面可以實現連續的相位調控。而實際的設計中，為降低設計及加工復雜度，通常采用相位離散化的超表面結構，以1bit和2bit離散相位超表面居多。如圖1（c）和（d）所示，相位2bit的離散化仍可實現較好的單波束形成，盡管由于離散誤差，造成旁瓣水平略有上升；而相位1bit的離散化則會產生對稱角度的無關波束，影響實際系統應用。使用球面波饋源激勵超表面，從而引入偽隨機的離散誤差可以解決這一問題。一些文獻也提出了預相位的方案以避免對稱雙波束的產生[5]。
在雙波束以及多波束的產生方面，該算法將多個單波束的相位分布進行矢量疊加，從而獲得最終的口面相位分布，仍可實現較好的效果。如圖1（e）和（f）所示，相位2bit的離散的雙波束產生受到了離散誤差的影響，但通過合理的離散區間的選擇，算法依然有效。
圖1超表面天線唯相波束形成方法
1.2幅相同調波束形成
在低旁瓣等應用中，一個可行的方案是對超表面的幅度相位進行同時調控，在犧牲部分效率的前提下滿足旁瓣的設計需求。相關文獻中提出了幅度相位同時可調的超表面單元設計[6-7]，并在此基礎上，類比切比雪夫分布對超表面口面的幅度進行了調制，實現了-25dB或更低的旁瓣水平。
1.3全息波束形成
與調控電磁波的幅度和相位不同，全息超表面在引申發展了光學全息概念的基礎上，提出了通過超表面實現所需表面阻抗或通過超表面記錄干涉幅度條紋等方式以實現電磁波束調控。其基本原理為：將超表面的饋源波束作為參考光波，將所需的目標波束作為物光波，在超表面口徑處計算參考光波與物光波的干涉幅度并用超表面進行記錄，或是將參考光波與物光波的干涉場轉換為表面阻抗的分布并用超表面進行記錄。當產生目標波束時，用參考光波（即原定的饋源波束）照射超表面，即可獲得所需的目標波束。
設定參考光波為一個距離超表面兩倍波長高度處的球面饋源，而目標波束則為一個指向（30°，-120°）的單波束。兩者在超表面口面處的干涉幅度經采樣后如圖2（a）所示。當超表面將該干涉幅度記錄后，再用一個相位中心距離超表面兩倍波長的饋源進行照射，可以得到如圖2（b）所示的遠場目標波束。
由于全息波束形成算法中，目標波束可以直接給出，因而在多波束甚至更為復雜的波束形成中有著特別的優勢。如圖2（c）和（d）所示，全息波束形成算法可以較好的獲得等幅多波束，不等幅多波束等。
圖2超表面天線全息波束形成方法
1.4其他波束形成方法
利用超表面技術實現波束調控，包括波束形成、波束掃描、多波束、賦形波束等應用不限于上述方法。首先，可以結合文獻中的各種成熟波束形成算法將其遷移應用至超表面技術中，如文獻[8]中，通過梯度投影的算法實現了唯相位的低旁瓣波束形成，又如文獻[9]中，利用1bit離散相位超表面，實現了和差波束的產生。文獻[10]利用了相位連續可調的超表面單元結構，實現了賦形波束的產生并應用在衛星上。
此外，各類優化算法也在超表面天線波束形成中展現出重要的作用。如在文獻[11]中，利用遺傳算法設計了1bit離散相位的超表面口面分布，分別實現了多波束、寬波束以及余割平方波束等應用。考慮到超表面電磁響應離散化帶來的誤差，包括遺傳算法、粒子群優化算法，模擬退火算法在內的各種優化算法在旁瓣控制，優化波束質量等方面的作用愈發不可或缺。
近些年來，深度學習等思想在眾多領域開花結果，其中也包括超表面天線領域[12-13]。深度學習在超表面天線波束形成中的應用思想如下：首先設計一個架構適當的深度神經網絡，將超表面上各個單元獨立的電磁響應作為輸入層，再將所需的遠場波束進行空間角度采樣，并作為深度神經網絡的輸出層。接下來通過仿真或者計算獲得大量輸入輸出相對應的樣本，作為深度神經網絡的訓練集以得到一個參數合理的神經網絡。該方法的優勢在于，一旦完成網絡的訓練，即可快速地根據任意口面分布獲得遠場特性，或是反向地得到任意遠場特性所對應的口徑分布參數。
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超表面電磁調控機理及可重構方法
第1章中介紹了超表面天線波束形成的技術，而其實現的關鍵在于設計合適的超表面結構，使之可以對電磁波產生特定的幅度及相位響應。本章首先介紹常用的諧振型單元設計法，幾何相位型設計法以及耦合導波輻射型設計法。針對波束掃描、波束可重構等應用，還需要超表面口面的電磁響應能隨控制進行變化，因此本章還將介紹超表面電磁響應可重構的方法，包括機械可重構、半導體器件加載可重構以及特殊材料使能的可重構等。
2.1超表面電磁調控機理
諧振型電磁超表面單元通常由介電材料與表面印制的金屬結構組成。當電磁波照射至超表面上時，其結構可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對電磁波產生響應。如圖3（a）所示，黃色部分為超表面單元金屬結構。兩部分金屬之間的間隙可等效為分布電容，金屬部分可等效為分布電感，從而組成等效的微波電路。當改變金屬部分的尺寸時，可以調諧各種等效分布參數，從而控制超表面單元的諧振點，進而實現對電磁波的調控。由于諧振型結構的特性，其工作帶寬往往受到限制，對電磁波造成的損耗也較大。
幾何相位型電磁超表面單元，如圖3（b）所示，通常也由介電材料與表面印制的金屬結構組成，但其工作原理與諧振型單元有著本質區別。幾何相位原理指出，電磁波在極化轉換的過程中會獲得一個額外的相位變化，具有改變圓極化電磁波相位的能力。在具體的實現中，超表面上的金屬結構常設計為對正交極化各向異性，當圓極化電磁波照射至超表面時，出射的圓極化電磁波旋向會反向。進一步的，當旋轉表面上的金屬結構某角度后，出射的圓極化電磁波不僅旋向會反向，并且會附加一個額外的相位，其值等于兩倍的結構旋轉角度。由于幾何相位型的工作原理與諧振無關，其工作帶寬不受限制，文獻中也常見超過100%相對帶寬的工作[17-18]。
耦合-導波-輻射型電磁超表面的提出受到了透射陣列與反射陣列的啟發，其拓撲結構如圖3（c）所示，包含一個接收電磁波的耦合層，一個傳輸電磁波的導波層以及一個輻射電磁波的輻射層。入射至耦合-導波-輻射型超表面電磁波首先被耦合層耦合為導波模式，然后傳輸至導波層。導波層可以實現對信號的相移，濾波，倍頻，功率放大等功能。經過調制的電磁波最后由輻射層再次輻射至自由空間，完成對電磁波的調控。得益于其特有的拓撲結構，耦合-導波-輻射型電磁超表面的設計自由度更大，每層結構可以獨立設計再進行組合，并且可以廣泛結合成熟的微波電路設計理念。在電磁調控性能方面，耦合-導波-輻射型表面電磁響應線性度高，損耗更低，同時在寬帶響應，極化調控等設計上更為直接。
圖3超表面電磁調控機理
2.2超表面電磁響應可重構方法
針對低軌衛星天線系統，有波束掃描，波束可重構等應用需求，這對天線口面電磁響應提出了可重構的要求。傳統的相控陣天線依靠大量的移相器、衰減器以動態調節天線口面的幅相分布，或是通過數字波束形成的方法動態調控天線口徑狀態。對超表面技術而言，實現電磁響應可重構的方法則更豐富，且成本遠低于傳統方法。包括機械可重構、半導體器件加載可重構以及特殊材料使能的可重構等各種方法。最終目的均為動態調控超表面電磁響應，包括但不限于幅度、相位、極化、頻率等。
2.2.1機械可重構
機械可重構指使用電機或其他機械結構以重構超表面，從而改變超表面電磁響應的方式。如圖4（a）所示，超表面結構上集成了微電機。微電機的工作帶動超表面旋轉可控的角度。根據上述幾何相位原理，可對圓極化電磁波產生可控的相位響應。該文獻中設計的超表面成功實現了寬帶范圍內圓極化電磁波的聚焦。文獻[19]使用相似的方法，用微電機帶動單元的旋轉，從而動態控制電磁波的反射相位，實現了最大60°的波束偏折。
圖4超表面響應可重構方法
機械可重構本身往往不參與電磁響應，而是通過機械控制電磁響應單元來實現。因此這種方案對單元特性影響較小，控制效果較好。但由于較慢的響應速度，以及機械系統較大的尺寸，其應用受到一些限制。
2.2.2半導體器件加載可重構
第一章中提到，諧振型超表面單元可等效為一系列的分布式電容電感，從而組成等效的微波電路對電磁波產生響應。因此，加載半導體器件直接調節電路RLC參數是一類很好的手段，也是目前受到最多關注和應用的方案。
PIN二極管是一類根據直流偏壓產生不同開斷特性的二極管。當正向偏壓時，典型的PIN二極管等效為一電感和小電阻的串聯。反偏時可簡單等效為一小電容和電感的串聯。當把PIN二極管加載在超表面結構上時，通過調節偏壓大小讓其在正偏與反偏之間改變，即可實現電磁響應的可重構，如圖4（b）所示。文獻[11]中，當PIN二極管在正偏或反偏狀態切換時，電磁波的反射相位可產生180°的變化，即滿足1bit離散相位的需求。
變容二極管工作在反偏狀態，其等效的電容值隨反偏電壓的增大而減小。利用這一特點，可將變容二極管集成至超表面單元結構中，通過改變其反偏電壓，等效的改變超表面的電磁響應狀態。如圖4（c）所示，文獻[14]設計了加載變容二極管的諧振型超表面結構，隨著二極管容值的改變，超表面的諧振頻率也隨之改變。經過疊層設計，最終實現了在5.35GHz處透射相位360°連續可調。
相比PIN二極管，雖然變容二極管加載可以實現連續的電磁響應控制，但其損耗較大，設計難度更高，對控制系統的要求也更大。根據應用需求，合理的權衡各種控制方式，是超表面可重構設計的重要內容。
半導體器件加載可重構不局限于上述器件，從原理上分析，任何可以產生電響應的器件均可以參與設計。如在文獻[21]中，作者將射頻放大器引入超表面，實現了反射電磁波幅度的增強。在文獻[22]中，作者將射頻倍頻器引入了耦合-導波-輻射型電磁超表面的導波層，將入射電磁波倍頻后再輻射至自由空間。文獻[23]則將微機電系統引入設計中，在更小的尺度實現機械調控，在太赫茲等高頻場景下發揮重要作用。
2.2.3特殊材料使能的可重構
可在外界激勵下改變狀態的材料也可用于可重構超表面的設計。文獻[24]中設計了一種透射型可重構超表面，并在頂面加載了液晶層。該液晶在低溫時排列取向平行，在高溫時取向趨于無規則，導致其折射率隨溫度變化。該文獻通過液晶的加載，實現了透射波束隨溫度可控的偏折。
石墨烯也被應用在可重構超表面的設計中。當有電壓施加在石墨烯上時，其費米能級將發生變化，從而導致導電性的變化。根據此特征，文獻[25]設計了一個集成石墨烯的超表面結構。通過調控石墨烯兩端電極的電壓，可以動態調節超表面吸波的峰值。相似的，相變材料、液態金屬也被用在超表面重構設計中。這些方案可在特定應用背景下提供可重構的思路。
表1從適用頻段，損耗，響應速度，調控難度等方面對比了上述超表面電磁響應可重構方案。針對目前低軌衛星主流的Ku、Ka頻段，PIN二極管，變容二極管以及機械重構方案均適用。二極管可重構方案響應快，控制電路實現成本與功耗較低，相比機械可重構方案在結構可靠性上表現更好。但在損耗表現上仍有進一步提高的必要。
表1超表面電磁響應可重構方案對比
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超表面相控陣天線系統
第一章和第二章分別介紹了超表面天線波束控制算法以及實現超表面電磁調控的方法和可重構手段。本章將從系統層面展開，介紹超表面相控陣在波束調控領域的發展情況。面向低軌衛星通信應用所急需的低成本天線系統，提出超表面相控陣這一技術方向。
3.1空間饋電式超表面相控陣
3.1.1單饋源空饋超表面相控陣
如圖5（a）所示，在空饋超表面相控陣的典型配置中，存在外部饋源，它可以是近處的喇叭天線，也可以是距離足夠遠，可近似為平面波的源。而根據超表面電磁響應的不同，可分為數字超表面相控陣與模擬超表面相控陣。根據上文介紹，可知數字超表面設計復雜度較低，損耗也更好控制，但其離散的電磁響應會引入誤差，影響波束質量。模擬超表面則具有連續的電磁響應控制能力，適用于更復雜的波束控制場景。文獻[26]與文獻[27]分別采用數字式與模擬式超表面方案，在半空間實現了較好的波束掃描效果。在多波束產生方面，數字式與模擬式超表面相控陣也獲得了較好的應用效果。文獻[28]和[29]均展示了單饋源空饋超表面的多波束產生。
值得注意的是，由于超表面設計的靈活性，電磁波不僅可以在超表面上透射或反射，也可實現透射反射并存，且波束均可調控。如文獻[30]實現了上下兩個半平面波束的同時產生與調控；文獻[31]則更進一步地在全空間實現了波束偏折和渦旋波束的產生。
在衛星通信應用中，極化復用是擴展通信容量的一種手段。在超表面的設計中，利用結構的對稱性或進行非對稱設計[32]，即可實現極化無關或雙極化的電磁響應。使用這種設計，便可進一步獲得極化可復用的波束。
近些年來，時間域可重構超表面天線的概念也被提出。其技術原理參考了時間調制天線，通過在時域上周期或非周期的控制超表面電磁響應，可對入射電磁波在頻率進行搬移，同時形成包括基波和高次諧波在內的多個波束。該方案有望應用在低軌衛星通信中多波束頻率復用上，用較低的成本同時實現多波束覆蓋以及頻率復用。
圖5空間饋電式超表面相控陣
3.1.2多饋源空饋超表面相控陣
與3.1.1節中的超表面相控陣方案不同，也可以將多個空饋饋源與超表面進行聯合設計，類似反射面天線中單饋源和多饋源的區別。多個空饋饋源的方案便于多波束的產生，集成多個射頻通道的饋源也有助于系統通信容量的進一步提升。文獻[34]中使用一個7端口饋源和透射型超表面實現了7波束的形成，每個波束對應一個饋電端口。如圖5（b）所示，文獻[33]中借助幾何相位型透射超表面，實現了21饋源21圓極化波束的產生。該方案為低軌通信衛星實現通道獨立的多波束提供了方案。
3.1.3折合式超表面相控陣
3.1.1與3.1.2節介紹的空間饋電式超表面天線存在系統剖面高的劣勢。如圖6所示的折合式超表面天線可以較好的改善這一點。在折合式超表面方案中，空間饋源被放置在超表面平面上，通常在中心位置（相對應的超表面區域則被挖空）。通過在上方加載極化選擇器，可以首先將饋源輻射出的電磁波反射至超表面口面上，經由超表面進行波束調控和極化轉化后，再透射過極化選擇器，最終實現波束的形成。折合式超表面天線大幅降低了系統剖面高度，有利于降低低軌通信衛星的載荷，進一步提高系統集成度。
圖6折合式超表面天線
3.2表面波饋電式超表面相控陣
全息超表面天線指的是利用全息波束形成技術計算口面阻抗或幅度分布的超表面。盡管全息超表面設計中，仍可將空間饋源作為參考光進行計算[36]，但更多的設計都采用了表面波的方式作為參考光波，即在超表面口面某一位置處設置饋電結構（常為単極子天線），從而實現極低的超表面天線系統剖面。如圖7（a）所示，文獻[37]中，用全息阻抗超表面和口面中心處的點饋源實現了至多4波束的合成。
3.3波導饋電式超表面相控陣
如圖7（b）所示，波導饋電式超表面天線將波導饋電與超表面設計相結合[38]，其工作原理類似漏波天線。每個超表面單元可獨立控制其漏波狀態，對輻射強度或相位進行控制，從而實現波束調控。文獻[39]集成設計了波導饋電結構以及2bit相位調控超表面單元，在Ka波段實現了波束掃描以及和差波束的產生，系統總體剖面僅為12mm。文獻[40]將波段饋電結構與加載變容二極管的超表面單元結合，同樣實現了具有一定角度范圍的波束掃描和多波束合成。相較于空間饋電方案，表面波饋電式與波導饋電式方案剖面低，集成度高，口面效率高。
圖7低剖面超表面方案
3.4主動輻射式超表面相控陣
在這一類超表面天線的設計中，每個超表面單元不僅完成對電磁波的響應，同時也作為初級的輻射源，以進一步省去饋源，降低設計復雜度。同時主動輻射式超表面天線也有著更好的口面效率以及輻射效率，在星載等應用中有較好的前景。文獻[41]介紹了一種主動輻射式超表面設計，超表面單元結合幾何相位和諧振相位完成對左右旋圓極化電磁波的相位控制，同時每個單元也是一個獨立的輻射源。實現了左右旋圓極化波非對稱的偏折，系統剖面高度僅為0.07倍波長。相較于傳統的依靠饋電網絡的平面陣列，該設計在單元層面完成了相位調控，具有更簡化的架構，如表2所列。
? ??表2衛星通信天線技術方案對比
為更好地對比各種衛星通信天線技術方案，表2從成本、體積/剖面、效率以及主要性能與應用5個方面進行了分析。其中，超表面相控陣技術在成本以及體積方面展現出巨大優勢。在高性能單元設計的基礎上結合先進的波束形成算法，超表面相控陣技術可實現較高的口面效率和較大的掃描范圍。在星載應用中，可以采用充氣式或折疊式的超表面方案，從而獲得大口徑帶來的高增益優勢。
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結論與展望
低成本超表面相控陣技術發展日益完善，展現出對電磁波多維度的強大調控能力。本文綜述了超表面相控陣技術及其在波束調控中的應用。首先從唯相波束形成、全息波束形成，優化算法波束形成等角度介紹了超表面天線波束形成的方法，之后介紹了諧振型、幾何相位型以及耦合-導波-輻射型超表面電磁調控的機理，以及機械可重構、半導體器件加載可重合，以及特殊材料可重構手段，最后介紹了多種類型的超表面相控陣系統在波束形成，波束掃描，多波束產生中的應用。
超表面天線技術的發展提供了一種低成本波束調控的思路。其無需傳統相控陣中大量的射頻組件即可實現波束的靈活形成、掃描和多波束產生，可滿足低軌通信衛星天線系統星地、星間通信波束的需求。
針對星載應用中的低成本超表面相控陣技術，還需對以下3個方面進行進一步研究：
1）超表面功率容量研究。當前有關超表面的研究罕見功率容量的分析，針對電磁波功率較高的場景，是否會對超表面設計，尤其是可重構器件設計產生影響。
2）超表面功耗研究。超表面的波束掃描需要對每一個單元進行動態調控，這會帶來部分功耗。盡管變容二極管可重構方案等具有較低的功耗，其能否適應星載平臺也需定量研究。
3）可重構超表面電磁特性建模與優化研究。盡管可重構超表面具有較好的相位響應，但其插入損耗水平依舊較高。針對如星載應用等總功率受限場景，可重構超表面電磁特性的進一步優化仍具有挑戰。
在可展望的未來，超表面天線技術有望在低軌通信衛星天線系統中發揮其低成本、低剖面、高度靈活性的優勢，為星地、星間通信系統提供良好的物理層基礎。
編輯：黃飛
工商網監
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