东南大学团队研制出低剖面平面 4 比特可重构天线阵列 | Engineering

电子波束扫描阵列因其高增益和低副瓣特性在雷达、测量、通信等方面被广泛应用。传统相控阵由于在电子速度、无惯性扫描和多目标跟踪等方面的优势，被认为是这些应用领域的有力竞争者。然而，传统相控阵的单元阵列通常使用固态收发模块。此外，传统相控阵的单元阵列还采用复杂的馈电方式和波束形成结构，具有复杂程度高、成本高昂、体积庞大等缺点，在一定程度上限制其广泛应用。

东南大学程强、崔铁军研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年10月刊发表了题目为《基于信息超表面设计理念的一种平面4比特可重构天线阵列》的研究性文章，提出了一种具有0.15 λ₀（λ₀为波长）低剖面的平面4比特可重构天线阵列。文章指出，该阵列是基于由1比特磁电偶极子和小型化反射式移相器组成的数字编码辐射单元组成。通过对两个对称馈电端口单独馈电，所提出的1比特磁电偶极子能够在宽带范围内提供“0”和“1”两种数字状态。所涉及的反射式移相器可以提供173°的相对相移。通过在157.5°的相位范围内进行数字量化，可以进一步得到相移间隔22.5°的8种数字状态。为了实现低副瓣水平，一个基于泰勒线源方法的1:16功分器被用来给阵列馈电。文章加工并测试了所提出的4比特天线阵列样机，实验结果与仿真结果吻合很好。文章表明，阵列能够实现±45°的扫角，12 GHz的最大增益为13.4 dBi，副瓣和交叉极化水平分别低于−14.3 dB和−23 dB。另外，波束指向误差在0.8°，法向波束的3 dB增益带宽为25%。由于阵列卓越的性能，它在雷达和通信系统中将有重要的应用前景。

值得注意的是，文章测量的增益和效率值在11.1 GHz左右下降，这是由天线|S11|恶化引起的。与仿真辐射效率相比，测量值的降低可归因于测量中的额外损失。文章还提供了12 GHz正出射波束的增益损耗分析；可以确定差异是由以下因素引起的。首先，在测量中存在微波连接器（SMA）的损耗，这在仿真中不存在，损耗值约为0.5 dB；其次，在仿真中实际pin和变容二极管由简单的电阻（R）-电感（L）-电容（C）（RLC）电路建模，导致仿真损耗与1位ME偶极子和小型化反射型移相器（RTPS）的测量损耗之间存在差异；再次，功率分配器的仿真和测量结果之间存在0.8 dB的差异，这是由工艺误差引起的；最后，介电常数的漂移及喇叭与天线阵列之间的错位也会导致损耗差异。因此，通过采用更精确的pin和变容二极管模型，利用更精细的工艺技术，并优化未来的实验装置，可以改善效率偏差。此外，为了提高测量效率，可以使用更好的pin和变容二极管，应用串联馈电而不是并联馈电也有助于提高效率，但这将牺牲阵列的带宽。

文章比较了45°扫描范围内12 GHz下的仿真和测量增益。结果表明，测量增益随着扫描角度的增大而减小，H平面45°光束的扫描增益损失为2.7 dB。天线之间的耦合对阵列非常重要，因为它会影响辐射性能，如增益、旁瓣电平和扫描角范围。除此，文章还研究了天线阵列的耦合。结果表明，在感兴趣的频带内，天线之间的耦合很小，在12 GHz下该值低于−30 dB。功率分配器由接地共面波导（GCPW）组成，不同端口之间的串扰较小。因此，整个阵列的耦合很小，波束指向误差在0.8°以内。总之，文章所提出的平面4位可重构天线阵列具有良好的性能，包括出色的扫描能力、高增益、低旁瓣和宽带宽。

以上内容来自：Zheng Xing Wang, Hanqing Yang, Ruiwen Shao, Jun Wei Wu, Guobiao Liu, Feng Zhai, Qiang Cheng, Tie Jun Cui. A Planar 4-Bit Reconfigurable Antenna Array Based on the Design Philosophy of Information Metasurfaces [J]. Engineering, 2022, 17(10): 64-74.

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.03.019

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ISSN 2095-8099

CN 10-1244/N

IF 12.8 Q1