基于数字编码超表面的平面天线研究文献综述

 2022-09-25 16:09:39

  1. 文献综述(或调研报告):

天线作为无线通信系统的关键器件之一,其功能与性能对整个通信系统的优劣起着决定性作用。传统的天线往往难以兼顾多频带多模式工作、良好的传输性能以及小体积低成本的要求,智能天线的需求日渐增加。1983年,可重构天线这一概念被首次使用[1]

从功能上看,可重构天线的可重构参数包括工作频率与带宽、方向图、极化方式甚至上述组合[2]。如此一来,天线通过切换状态可以有多种工作模式,在MIMO系统中作为收发天线有很高的应用价值[3]

崔铁军教授等人于2014年提出了数字编码超材料的概念[4],以此概念为核心引申出了很多具有不同功能的数字编码超表面,被研究者们应用到可重构天线中,目前已经有了许多具体的范例[9-15]。这里将对数字编码超材料、以及目前已有的基于数字编码超表面的部分工作进行回顾和总结。

  1. 可重构天线

传统的相控阵天线可实现重构功能,其核心在于使用(数字)移相器来控制阵列天线中每个辐射单元的馈电相位。例如M. A. Y. Abdalla等人所提出的可操纵阵列使用到了可调的正/负折射率(PRI/NRI)移相器,将辐射集中在宽边方向,使得其可以在增益和半功率波束宽度(HPBW)变化很小的情况下控制波束[5]

除了数字移相器之外,其他的可调谐元件也可用于可重构辐射单元,如二进制开关、P-I-N二极管等。相比于相位连续可调的波束控制阵列,采用位阵列可以简化偏压网络,从而降低插入损耗,同时也可减少成本[6]。Chang, L等人将微带线作为具有任意位数的位相源,设计了一种可重构2比特固定频率波束转向阵列[7]。通过对微带线一侧四分之一波长间隔距离的两个馈送点进行采样,得到0°和minus;90°的相态;线另一侧的其他两个对应点可以提供minus;180°和minus;270°的相态,从而产生所需的2比特单元。

超表面的出现为实现可重构提供了新的可能。万向等人提出了一种将传统的线极化喇叭天线和各向异性惠更斯超表面相结合,机械地重构波束方向和极化的新型喇叭天线[8]。通过将超表面放置在传统的线极化喇叭天线前,喇叭天线的主波束被导向预定的方向。而后通过旋转各向异性惠更斯超表面,可以重构主波束的方向和偏振。

然而,相比于机械地重构,人们更希望天线的重构功能可以通过电信号来控制,从而实现由软件控制的可重构天线,这将为通信系统提供极大的便利。

  1. 数字编码超材料

2014年,崔铁军教授等人首次提出了数字编码超材料的概念[4]。为了实现编码超材料,引入两种分别具有0和pi;传输或反射相位响应的结构单元,以模拟1比特数字的“0”和“1”单元,以便使用现有的数字技术对它们进行控制。通过设计超材料编码中“0”和“1”单元的编码序列,即改变“0”和“1”单元的排布方式,就可以改变超表面整体的电磁特性,从而得以操纵电磁波获得不同的功能。同理,2比特数字编码则需要引入四种分别具有0、pi;/2、pi;及3pi;/2的传输或反射相位的结构单元,多位编码以此类推。

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