毫米波频段共形辐射型可编程超表面：生成轨道角动量（OAM）波的创新方案

为缓解频谱资源短缺，研究人员设计共形辐射型可编程超表面生成毫米波 OAM 波，潜力巨大。

　　在现代通信技术蓬勃发展的浪潮中，带宽资源却日益稀缺，就像沙漠中的水源一样珍贵且逐渐干涸。传统 5G 通信技术试图通过增加带宽来提升速度，但有限的带宽资源成为了难以跨越的障碍，就如同在狭窄的道路上试图让更多车辆高速行驶，拥堵问题无法根本解决。与此同时，电磁干扰问题也愈发突出，严重影响通信质量。在这样的困境下，轨道角动量（OAM）与毫米波技术的结合成为了科研人员眼中的希望之光。OAM 波独特的螺旋形波前和与方位角相关的相位分布函数 exp (ilθ)，为信息传输提供了新的自由度，有望突破带宽限制，大幅提升通信容量，仿佛给通信领域注入了一剂强心针。

为了实现这一愿景，研究人员展开了深入探索。他们发现，传统生成 OAM 波的方法存在诸多弊端。直接使用激光成本高昂，就像用黄金打造普通工具；光纤产生涡旋波虽可行，但损耗严重，如同在运输过程中大量货物丢失；传统大型相控阵激发涡旋波束需要为每个元素配备射频模块，复杂程度和成本直线上升。相比之下，可编程超表面成为了更具潜力的选择，它能显著降低成本，实现动态电磁波生成。然而，现有的反射型或透射型可编程超表面也并非完美，它们需要外部空间馈源，导致系统整体轮廓较高，无法满足当前对低剖面天线的需求，就像穿着厚重的盔甲，行动不便。因此，研究人员急需寻找一种既能保持高性能，又具备低剖面和良好适形性的毫米波超表面系统。

在这样的背景下，研究人员开展了关于共形辐射型可编程超表面的研究。他们设计了一种工作在毫米波频段的共形辐射型可编程超表面，通过采用串并联混合馈电网络替代传统外部馈源，成功将超表面系统的整体轮廓降低至小于 0.1λ。这种创新设计还实现了共形十字形架构，便于与卫星或飞机的前端集成，有效避免了传统超表面中馈源阻塞和能量溢出损耗等问题。基于该设计，研究人员制作了超表面原型，并通过数值模拟和实验验证了其在生成高纯度多模毫米波 OAM 波束方面的应用。该超表面可获得超过 10% 的宽工作带宽，测量增益为 22.54 dBi，孔径效率为 21.75%，成功激发了l = 0、l = +1、l = +2 和l = +3 这 4 种高纯度 OAM 波模式。此外，结合波束扫描技术，OAM 波可实现偏转，以适应移动接收器的场景，这一成果为未来高速无线通信和空间卫星通信应用带来了新的曙光，相关研究成果发表在《Research》。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。在超表面单元设计方面，精心构建了包含 4 个金属层、2 个介电基底层和 1 个粘结层的复杂结构，通过专业电磁仿真软件 CST Microwave Studio 进行数值模拟，确保单元性能符合预期。在共形超表面阵列设计上，采用十字形配置，合理安排 260 个单元，并利用切比雪夫加权优化馈电网络。为了验证 OAM 波束的生成和扫描效果，进行了大量的模拟和实验，在近场消声室中使用开放式矩形波导探头对超表面进行测试，获取辐射特性数据。

在研究结果部分，超表面单元设计成果显著。超表面单元总厚度仅 0.914 mm，整体系统轮廓控制在 0.1λ以内。单元中的 PIN 二极管在 FPGA 控制下实现 0 和 π 编码，通过模拟可知，在 27.68 - 30.62 GHz 频段内，S₁₁参数保持在 - 10 dB 以下，辐射相位在 29 GHz 中心频率时两种状态相位差约 180°，辐射增益分别为 6.50 和 6.63 dBi，满足高增益和低旁瓣阵列设计要求。

共形超表面阵列设计方面，十字形的超表面阵列由 260 个单元组成，整体有效尺寸为 8λ₀×8λ₀，其独特设计可与通信卫星天线罩无缝集成，减少边缘相位分布不均问题。520 个 PIN 二极管通过偏置网络实现单独相位控制，采用串并联微带网络和切比雪夫加权，提升了主瓣增益，降低了旁瓣电平。

OAM 波束生成研究中，通过调整超表面的最佳相位分布，成功生成了l = 0、l = +1、l = +2 和l = +3 这 4 种模式的高纯度 OAM 波束，其辐射和相位模式呈现典型 OAM 特征。结合波束扫描技术，实现了不同模式 OAM 波的扫描，如l = +1 模式 30° 偏转和l = +2 模式 15° 偏转，有效解决了移动目标场景下的通信问题。

实验验证环节，制作的十字形超表面在近场消声室测试。结果显示，其工作频段为 27.38 - 30.75 GHz，S₁₁在该频段内低于 - 10 dB，具备良好宽带特性。生成的 4 种 OAM 模式波束实验结果虽存在一定失真，但验证了超表面的有效性，在 29 GHz 中心频率下，峰值增益为 22.54 dBi，孔径效率为 21.75%。OAM 波束扫描实验结果也表明，不同扫描角度下 OAM 波束能保持稳定结构特性。

研究结论表明，该共形辐射型可编程超表面成功实现了多模毫米波 OAM 波束的激发和扫描。通过创新的馈电网络和超表面设计，降低了系统轮廓，提高了集成度，在多个方面展现出优异性能。尽管目前该超表面在制造精度、阵列扩展性和复杂环境适应性等方面仍面临挑战，但它为未来无线通信和卫星通信提供了新的方向和可能，有望在下一代通信系统中发挥重要作用，推动通信技术的进一步发展，开启通信领域的新篇章。