[超表面论文快讯-26] AOM-用于低地球轨道卫星通信的频率复用超表面-哈尔滨工业大学
-[论文快讯-第26期]-
Advanced Optical Materials-用于低地球轨道卫星通信的频率复用超表面- 哈尔滨工业大学
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栏目介绍
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一
论文基本信息
标题：
Frequency-Multiplexed Programmable Guided-Wave-Driven Metasurface for Low Earth Orbit Satellite Communication
作者：
Jian-Qiao Han (哈尔滨工业大学 微波工程系);
通讯作者:Fan-Yi Meng (哈尔滨工业大学 微波工程系);
通讯作者:Chunsheng Guan (空军工程大学 防空导弹学院);
Tao Jin (哈尔滨工业大学 微波工程系);
Chang Ding (空军工程大学 防空导弹学院);
Tong Cai (空军工程大学 防空导弹学院);
Qun Wu (哈尔滨工业大学 微波工程系);
通讯作者: Xumin Ding (哈尔滨工业大学 高级显微与仪器研究中心)
发表时间：
2024年12月26日
发表期刊：
Advanced Optical Materials （JCR-Q1， IF=8）
二
论文快览
解决的问题：低轨卫星通信技术对天线系统提出了高要求，如波束扫描、双频段正交极化、低剖面和轻量化。然而，传统超构表面依赖复杂的外部馈电网络和功分器设计，难以实现动态和高效的双频段独立控制，限制了其在卫星通信中的应用。
提出的方法：本文提出了一种基于频率复用的可编程导波驱动超构表面，通过在每个单元内集成四个p-i-n二极管，动态实现双频段独立的1位相位切换。设计中利用通孔将亚波长单元与介质波导底层连接，避免了辐射型超构表面所需的复杂馈电网络。原型超构表面在10.4 GHz（下行）和12.5 GHz（上行）频段实现了动态波束扫描，极化正交以避免频率间串扰。
实现的效果：实验结果显示，在10.4 GHz和12.5 GHz频段，分别实现了波束扫描范围为−41°至50°和−41°至47°的性能。超构表面具有良好的频率选择性和高效极化隔离，显著简化了传统馈电网络，同时实现了低剖面、低功耗和高动态性能。
创新点分析：本文的创新性主要体现在硬件设计创新上，提出了一种导波驱动的可编程超构表面架构，克服了传统超构表面依赖复杂馈电的限制，并通过p-i-n二极管集成实现了双频段动态波束控制。这种设计兼具轻量化和高性能，具有向太赫兹和光学频率扩展的潜力，为5G/6G和低轨卫星通信应用提供了重要的新思路。
三
论文重要图文
摘要：
低地球轨道（LEO）卫星通信技术的进步对天线系统提出了极为苛刻的技术要求，包括波束扫描、双频段正交极化、低剖面、低成本和轻量化。可编程导波驱动超表面能够在无需外部空间馈电、复杂功分器和相位移网络的情况下实现对电磁（EM）波的动态和高级控制，使其成为LEO卫星通信的理想候选技术。在本文中，提出了一种频率复用导波驱动超表面，用于实现双频段EM波的独立和动态控制，以满足LEO卫星通信中的上行和下行需求。通过通孔连接元胞与基板集成波导的底层，构建了导波驱动超表面，从而避免了辐射型超表面复杂的馈电网络。通过调节每个元胞中集成的四个p–i–n二极管的状态，在两个特定的频率段上实现了动态和独立的1位相位切换。为验证这一概念，设计并制作了该超表面，其在两个工作频段（10.4 GHz下行链路和12.5 GHz上行链路）展示了出色的波束扫描性能。所提出的低剖面、双频段和可编程超表面在卫星通信中的应用潜力巨大。
结论：
综上所述，我们展示了一种频率复用可编程导波驱动超表面，可在两个独立频率下实现动态和独立的波束扫描。这种先进的超表面架构克服了传统超表面的局限性，包括对外部馈电的依赖、复杂的集成工艺以及辐射型超表面中功率分配的简化挑战。通过控制加载在每个元胞上的两组p–i–n二极管（PIN1/PIN2和PIN3/PIN4）的状态，分别在10–10.5 GHz和12.5–13.7 GHz范围内实现了1位相位可重构性。实验结果表明，设计的导波驱动超表面在下行链路（低频）和上行链路（高频）分别可实现−41°至50°和−41°至47°的波束扫描。此外，两个工作频率的极化状态设计为正交，以避免工作频率之间的串扰。这种频率复用、可编程且导波驱动的超表面在5G/6G和LEO卫星通信中具有广阔的应用潜力。
重要图片：
图1. 提出的导波驱动超表面的概念示意图和应用场景
图2. 导波驱动超表面元胞的几何结构
(a) 元胞的三维爆炸图；
(b) 元胞的顶视图；
(c) 元胞的侧视图；
(d) 元胞的底视图；
(e) PIN1和PIN2连接方式示意图；
(f) PIN3和PIN4连接方式示意图。
固定几何参数为：la = 4.90 mm，wa = 4.00 mm，la1 = 3.40 mm，wa1 = 3.00 mm，wgap = 0.15 mm，wt1 = 3.00 mm，lt1 = 1.00 mm，wdc1 = 0.20 mm，ldc1 = 4.80 mm，lfeed = 6.80 mm，ldc2 = 3.50 mm，ldc3 = 0.70 mm，ldc4 = 3.40 mm，ldc5 = 1.30 mm。
图3. 导波驱动超表面元胞的辐射特性
(a) 10.4 GHz下x极化条件下贴片表面的表面电流分布；
(b) 12.5 GHz下y极化条件下贴片表面的表面电流分布；
(c) 不同电压状态下元胞的工作机制；
(d) 模拟的元胞辐射能量；
(e) 模拟的元胞辐射相位；
(f) 模拟的元胞反射系数。
图4. 超表面原型和实验装置
(a) 制备的超表面的顶视图；
(b) 制备的超表面的底视图；
(c) 连接到超表面支架上的超表面示意图；
(d) 远场实验装置示意图。
图5. 在低频段下y极化电磁波调制的超表面仿真和测量结果
(a) 反射系数仿真结果；
(b) 透射系数仿真结果；
(c) 10.4 GHz时的远场仿真结果；
(d) 反射系数测量结果；
(e) 透射系数测量结果；
(f) 10.4 GHz时的远场测量结果。
图6. 在低频段下x极化电磁波调制的超表面仿真和测量结果
(a) 反射系数仿真结果；
(b) 透射系数仿真结果；
(c) 10.4 GHz时的远场仿真结果；
(d) 反射系数测量结果；
(e) 透射系数测量结果；
(f) 10.4 GHz时的远场测量结果。
参考文献
J.-Q. Han, F.-Y. Meng, C. Guan, T. Jin, C. Ding, T. Cai, Q. Wu, X. Ding, Frequency-Multiplexed Programmable Guided-Wave-Driven Metasurface for Low Earth Orbit Satellite Communication. Adv. Optical Mater. 2024, 2402880.
DOI：https://doi.org/10.1002/adom.202402880
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