基于可编程超表面的亚太赫兹波束操控

汪域，石磊，傅晓建，蒋卫祥; WANG YU; SHI Lei; FU Xiaojian; JIANG Weixiang

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基于可编程超表面的亚太赫兹波束操控 PDF

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汪域 ¹
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石磊 ^1,2
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傅晓建 ¹
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蒋卫祥 ¹
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1. 东南大学毫米波全国重点实验室，江苏南京 211189； 2. 上海航天电子技术研究所，上海 201108

中图分类号： TN92

最近更新：2025-03-27

DOI：10.11805/TKYDA2024531

摘要

随着6G技术的不断发展，太赫兹雷达、通信感知一体化逐渐成为电子信息领域的重要研究方向。可编程超表面凭借其重量轻、易共形和动态可调等优势，在太赫兹波束操控方面表现出很高的自由度，因而在通信、成像、雷达等方面具有重要的应用潜力。本文从加载半导体元件的可编程超表面设计理论出发，选取一款高频适用的GaAs变容二极管，构建了一种1 bit数字编码超表面，并对其亚太赫兹电磁响应和波束操控性能进行了表征。结果表明，该超表面阵列在W波段具有宽角度的动态波束赋形和波束扫描能力，实验结果与仿真结果吻合良好。

关键词

亚太赫兹; 可编程超表面; 波束赋形; 波束扫描

数字可编程超表面采用二进制数字编码对超表面单元进行数字化表征^[

1-3]，可实现对电磁波幅度、相位、极化等特性的实时、高效操纵，因而在新体制的通信、雷达和成像系统中具有重要的应用前景^{[参考文献 4-7}4-7]。其中，PIN二极管和变容二极管等半导体元器件因其调控方式相对简单、响应时间短和易于集成等优点被广泛用于微波频段的编码超表面设计，并已在全息成像^{[参考文献 8-9}8-9]、无线通信^{[参考文献 10-11}10-11]和无线网络信号传输^{[参考文献 12

百度学术}12]等领域产生了令人瞩目的成果。随着5G、6G技术的进一步发展，毫米波乃至太赫兹功能器件的开发需求日益增加，适用于高频的半导体元器件逐步运用到可编程超表面的设计中，并以此为基础构建了毫米波通信系统以及二维毫米波成像系统^{[参考文献 13

百度学术}13]。然而在高频下，由于半导体元器件的寄生效应和高损耗特点，可编程超表面调控电磁波的响应速度和效率仍受限；同时由于器件加工难度和工艺成本的限制，相关的研究仍较少。因此，本文开展亚太赫兹频率的可编程超表面研究，探究其单元电磁响应和远场波束调控能力。

1 单元设计与仿真

1.1 1 bit编码单元设计和原理分析

设计的超表面单元目标频率为94 GHz，单元周期为1 500 μm，通过加载变容二极管实现单元相位可调谐。1 bit反射式单元结构示意图如图1所示，共分为4部分：透明石英玻璃为介质基底，其厚度为200 μm，石英的相对介电常数为3.82，损耗角正切为0.008；石英基底背面为金属背板，厚度为300 nm；石英层上方为一对中间开缝的对称阶梯型金属贴片，变容二极管两端沿垂直于缝隙的方向分别倒装焊接在2个对称分布的阶梯型金属谐振器上。

图1 超表面单元结构示意图及等效电路图

Fig.1 Schematic of the metasurface cell structure and the equivalent circuit diagram

根据超表面等效电路分析方法^[

14]，上述1 bit编码超表面单元结构的等效电路如图1所示。变容二极管的等效电路模型采取寄生电容

C_{P}

与一个由电阻

R_{S}

、寄生电感

L_{S}

和可变电容

C_{J} (U)

组成的串联电路并联的形式，

C_{J} (U)

由所加偏置电压决定。若在2种偏置电压条件下，超表面单元的反射相位满足180°相位差，即可获得编码“0”和编码“1”单元。

1.2 单元仿真结果

此结构选用MACOM公司型号为MAVR-000146‒12030W(MA46H146)的变容二极管，此变容二极管是一款适用于毫米波频率的GaAs倒装芯片变容管，最高可加载25 V的反向偏置电压。在电路仿真软件ADS(Advanced Design System)中对二极管电路模型进行仿真并提取不同电压状态下的S参数。利用商用三维电磁仿真软件CST(Computer Simulation Technology)Microwave Studio 对超表面单元进行建模和仿真优化。选取加载0 V和24 V反向偏置电压下的超表面作为编码“0”和编码“1”，反射系数S₁₁的幅度和相位曲线如图2所示。

图2 编码0和1反射系数的幅相曲线及相位差

Fig.2 Amplitude-phase curves and phase difference for code 0 and code 1

由图2可知，在仿真频段的中心频点94 GHz处，2种编码的幅度响应大致相同，而相位响应差值在94 GHz达到设计需求的180°，而在93.7~94.3 GHz的窄带范围内2种编码态的相位差介于160°~180°。

2 超表面编码方案及阵列仿真

受限于工艺，该超表面设计方案在实际应用中仅能实现单元的逐列控制，因此本文仅讨论超表面在单一维度(x轴)上进行周期排列的情况。对于周期排列的一维列控1 bit相位调控型编码超表面，根据广义斯涅尔定律^[

15]，超表面阵列的周期序列与远场波束偏转的角度满足：

\frac{Γ_{x} s i n θ}{λ_{0}} \times 2 π = 2 n π

(1)

式中： $Γ_{x}$ 为编码序列在x轴方向的周期长度； $λ_{0}$ 为工作波长；n为波束的阶数。根据式(1)可推导出更为普遍的反射角度与单元相位之间的关系：

ξ_{m} = k_{0} m d s i n θ_{0}

(2)

式中： $ξ_{m}$ 为第m个单元的相位； $k_{0}$ 为真空中的波矢量；d为单元周期长度； $θ_{0}$ 为反射角角度。因此，通过将初始相位定义为0°，可推算出之后每一个单元的相位。在不考虑样品尺寸的情况下，根据式(2)可得到某特定角度所对应的一串具有无穷多个编码的编码序列。本文考虑以“010”3个编码单元和“0011”4个编码单元为周期进行阵列的排布，根据上述公式可算出远场波束指向角分别为45.2°和32.1°。

对2种周期编码序列阵列进行仿真，并以全“0”编码状态下的仿真结果作为对照，远场仿真结果如图3所示。图3(a)和图3(b)分别为全“0”编码排布的阵列三维远场散射方向图和二维归一化方向图，此时的远场散射图类似于金属板反射情形，反射主波束角度为0°。图3(c)和图3(e)分别为“010”和“0011”周期编码阵列的三维远场散射图，从图中可看出，在周期相位差的作用下，0°反射角的法向垂直反射逐渐减弱，并分裂为2个关于xoz面镜像对称的波束，且2种编码状态下波束角度有明显区别。由于阵列在x轴和y轴长度不一，且周期编码沿y轴排布，因此此对称双波束分布在yoz面上，且波束在x轴方向偏宽，呈现扁平状。图3(d)为按“010”周期编码排布的超表面阵列归一化电场方向图，其对称反射主波束指向角度为45.4°，电场强度比第一副瓣高8.83 dB，-3 dB波束宽度为6.4°左右。其波束指向角与计算的45.2°吻合较好，但也可看出0°反射并没有完全消除。图3(f)为按“0011”周期编码排布的超表面阵列归一化电场方向图，其对称反射主波束指向角度为32°，电场强度比第一副瓣高11.27 dB，-3 dB波束宽度为6.4°左右。其波束指向角与计算的32.1°吻合良好，且由于编码单元比“010”编码分布更加均匀，因此具有更优异的波束成形性能。

图3 特定编码全波仿真的归一化远场散射方向图

Fig.3 Normalized far-field scattering patterns from full-wave simulations at specific coding sequences

3 实验测试与结果分析

根据单元及阵列仿真结果制备超表面阵列样品，如图4中左上角所示。超表面阵列样品由16×8的超表面单元组成，采用光刻加工方法在石英衬底一侧制作超表面单元的金属谐振结构以及外接控制电路的电极，在另一侧沉积金属背板，采用导电银浆将变容二极管粘接在金属谐振器上。为实现对超表面上变容二极管的实时电调，使用银浆和导电胶带将石英基片上的电极连接到印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)上，并采用数模转换器控制芯片对每列单元的偏置电压进行独立控制。远场波束测试装置示意图如图4所示，发射端喇叭远端固定，提供垂直入射的水平极化平面波，而接收端喇叭固定在转台的延展臂上，可围绕样品测试二维平面内的远场散射强度。由于发射端、样品及接收端均在同一平面，接收端喇叭对小角度测试具有一定遮挡。

图4 实验样品及远场波束测试装置示意图

Fig.4 Images for experimental sample and far-field beam measurement equipment

首先对以周期编码“0011”状态排布的超表面阵列进行远场测试，测试结果如图5(a)中虚线曲线所示，当频率为86 GHz时，左右两侧波束成形效果最好，由此可见，实验测试与仿真存在一定的频偏。其主要原因是金属谐振器表面贴装的过程中产生的寄生电容和光刻加工误差对单元响应的影响；另外，由于仿真最佳工作频率为94 GHz，而实测频率红移至86 GHz，因此在同一编码序列下，两者对应的波束也有一定的角度偏差。根据式(1)， GHz下，编码“0011”对应波束角度为±35°的双波束，图5(a)中实测双波束的偏折角分别为-36°和+34.5°，且左侧主波束比右侧高1.4 dB左右。为分析测试过程中的小角度遮挡问题，使用“0000”编码的仿真结果与实验结果进行对比，如图5(b)所示。结果表明，在大约±20°范围内，接收端装置对于入射波束的遮挡较为明显。在其他角度范围内，实验测量的散射波束强度较理想情况下略高，这可能是由于测试环境的背景散射对实验具有一定影响。

图5 不同编码对应的仿真与测试结果

Fig.5 Simulation and test results corresponding to different codes

为评估超表面阵列的电磁波束调控能力，计算了频率为86 GHz时30°、35°、40°、45°四个特定角度对应的4种不同的编码序列，如图6(a)所示，对应的归一化远场测试结果如图6(b)所示，其中±20°范围内的测试结果未在图中显示。从图中可以看出，各个编码序列对应角度的双波束效果均较为明显，且角度对应效果良好，分别为-45°、-41°、-36°、-30°、+29°、+34.5°、+39°、+44°。整体角度呈现同一方向的误差，说明测试时接收端与样品的角度存在细微的误差，且主波束强度整体呈现出左侧偏高的趋势，这可能是样品的非均一性或测试系统因素导致的。上述结果表明该超表面阵列具备宽角度的波束动态调控能力。

图6 不同波束偏折角度对应的编码序列及其对应的实验测试结果

Fig.6 Coding sequences for various deflection angles and their corresponding experimental test results

4 结论

本文采用具有优异高频响应特性的变容二极管，设计了一种工作在W波段的1 bit列控可编程超表面。仿真结果表明，超表面单元在目标频率具有不小于180°的相位调控范围和宽角度的波束调控能力。在全波仿真基础上制备了阵列规模为16×8的超表面阵列，并对超表面样品在不同编码序列下的远场散射特性进行了实验测试。测试结果表明，该可编程超表面对W波段的反射电磁波具有宽角度的动态调控能力和波束扫描功能。本工作将有效推进W频段内的反射式可编程超表面设计与开发工作，并在亚太赫兹通信与雷达系统中具有潜在的应用价值。

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