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。 （三）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 — 19 — 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