AOM-用于低地球轨道卫星通信的频率复用超表面

ftdyz

1.论文概要

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。

该研究成果已于2024年12月26日以标题为“Frequency-Multiplexed Programmable Guided-Wave-Driven Metasurface for Low Earth Orbit Satellite Communication”发表在《Advanced Optical Materials》上。





2.图文速览



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。

3.结论

本文展示了一种频率复用的可编程导波驱动超颖表面，以实现在两个单独的频率下的动态和独立的光束扫描。这种先进的元表面架构克服了传统元表面的局限性，包括对外部馈电的依赖、复杂的集成工艺以及简化辐射元表面内功率分布的挑战。通过控制加载在每个元原子上的两组p-i-n二极管（PIN 1/PIN 2和PIN 3/PIN 4）的状态，分别在10- 10.5GHz和12.5-13.7 GHz实现了1比特相位可重构性，实验结果表明，所设计的导波驱动超颖表面可以在下行链路（较低频率）和上行链路（较高频率）分别实现−41° ~ 50°和−41° ~ 47°的波束扫描。此外，两个工作频率的偏振态被设计成正交的，以避免工作频率之间的串扰。所提出的频率复用、可编程和导波驱动的超表面可能在5G/6G和LEO卫星通信中具有巨大的应用潜力。文献来源

DOI：https://doi.org/10.1002/adom.202402880