【最新成果】基于相控电磁表面的W波段雷达系统研究
研究背景
信息超材料是传统超材料的数字化和信息化发展，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料和可认知超材料，是物理学与信息科学的有机融合。相对于传统的机械驱动的焦平面阵列天线或者相控阵天线等具有空间波束扫描能力的毫米波雷达天线子系统，信息超材料在毫米波雷达天线子系统中的应用与二者相比，分别具有实时调控，低成本等优势。
相控电磁表面，是利用可重构透射阵天线技术，在空间中设计基于印刷电路板工艺（PCB）的低成本透射阵天线单元阵列，并在其中融合可电调的器件和材料，从而实现一种对透射电磁波进行实时调相控制的信息超材料。相控电磁表面天线的原理和相控阵天线的原理相同，可以视为一种新型的相控阵天线。相控电磁表面天线采用空间馈电的设计，以及移相辐射相结合的设计，代替了传统相控阵天线的调相器以及馈电结构的设计，使得具有较为简单的馈电结构和调相结构的相控电磁表面天线具有较大的集成度，非常适合大规模的集成。
图2 相控电磁表面天线是一种新型的相控阵天线
在构建相控电磁表面的常用技术中，基于PIN管的可重构天线技术，与液晶、变容二极管、MEMS等可电调器件或材料相比，具有易加工、切换速度快、射频损耗小等优点，并且已经在Ku波段及其以下得到了报道和验证。在W波段下，许多常用的可电调器件的电尺寸相对于工作波长来说过大，使其无法直接使用，因此在W波段将PIN管应用到相控电磁表面设计，具有很高的挑战性。
W波段的电磁波具有波长短、频带宽、穿透电离层的能力强的特点，广泛应用于雷达，导弹制导技术，电子对抗等领域。W波段雷达在民用和军事方面有很多重要的应用，在民用方面比如天气观测和机场监测中发挥着重要的作用，在军事方面比如目标识别、精确制导和成像等领域具有重要价值。因此搭建W波段雷达系统具有重要的意义。
团队工作
针对该问题，清华大学杨帆教授团队与清华大学刘一民副教授团队设计出一种工作于W波段的相控电磁表面雷达系统。该系统包含相控电磁表面天线系统和雷达收发处理系统。在设定好相控电磁表面系统的波束方向后，雷达系统发射的电磁波被待测物体反射回来，经过相控电磁表面系统的极化栅网，其中来自预先设定的波束方向的一种线极化的电磁波会被接收。该极化的电磁波会被相控电磁表面系统的单元进行极化转换，变为新的正交极化的电磁波，以此进行雷达成像。相比于同频段的相控阵天线，该天线在重量、体积、成本等方面具有明显的优势。本文介绍了雷达系统的组成和关键部件，以及相应的加工测试结果。
图3 相控电磁表面雷达系统
论文介绍
该文提出了一种W波段相控电磁表面天线设计，如图4所示。此相控电磁表面天线单元采用电流翻转式180º调相的设计，结构简单性能稳定。入射电磁波设计为Y极化波入射。在不同的天线单元的工作模式下，X方向上的电流方向完全翻转，出射电磁波的相位将产生180º的调相效果。
图4 基片集成波导可编程超表面结构
W波段相控电磁表面天线子系统如图5所示。这种相控电磁表面天线系统包含馈源、透射型相控电磁表面天线、极化栅网三个部分。馈源是由矩形喇叭加装平行板组成，以提升阵列的溢漏效率，目的是保证天线系统的增益，如图5(a)所示。通过直接全波仿真馈源模型，可以得到电磁表面天线的入射电场的幅度相位。透射型相控电磁表面天线是一种阵列天线，如图5(b)所示，其中阵列单元是一种基于PIN管的可重构透射阵天线单元。这种单元包含一个调相结构，入射电磁波耦合到微带谐振结构上，会产出新的正交极化的分量透过天线。如图5(c)所示，极化栅网的作用是抑制入射电磁波中能引起单元谐振的正交极化分量的能量，并且增强能引起单元谐振的极化分量。W波段相控电磁表面天线的控制系统，如图5(d)所示。电脑通过USB数据传输线将赋值数据导入FPGA控制板，转化为高低电平信号分配到可重构透射阵天线单元的PIN管上，在不同的位置分布不同的相位。经过阵列理论的计算，可以控制相位分布，形成具有空间指向性的波束。
图5 相控电磁表面天线子系统
相控电磁表面雷达系统的实物图如图6所示，发射天线位于机箱的上半部分，是一个线极化喇叭旋转45度，以便同时发射水平极化和垂直极化的电磁波。相控电磁表面天线为一个T型布置的线阵，其中水平布置的线阵可以接收水平极化的电磁波，进行水平方向上的波束扫描；垂直布置的线阵可以接收垂直极化的电磁波，进行垂直方向上的波束扫描。
作者简介
吴优(1994-)，男，安徽人，清华大学电子工程系博士研究生；主要研究方向为可重构天线、太赫兹天线等。
杨帆(1975-)，男，湖北人，清华大学电子工程系教授；主要研究方向包括现代天线理论、设计与测量，新型电磁材料的探索和应用，电磁场数值算法与优化，应用电磁系统的研究与开发等。
刘一民(1983-)，男，重庆人，清华大学电子工程系副教授，主要研究方向为雷达系统、雷达抗干扰、一体化系统、智能交通、智能感知、统计信号处理等。
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编辑：高华 蒋文
审核：贾守新
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