基于磁電偶極子的透射陣和反射陣天線

導(dǎo)讀

隨著工作頻率的上移，無(wú)線通信系統(tǒng)可以獲得大帶寬、高速率和低時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)造成電波傳播的路徑損耗增大。高增益天線雖然能彌補(bǔ)這一問(wèn)題，但高增益會(huì)帶來(lái)窄波束、覆蓋范圍小的問(wèn)題。因此，具有波束賦形特性的高增益天線才能具有較好的應(yīng)用前景。

透射陣和反射陣是基于空間饋電的天線陣列，通過(guò)調(diào)制陣面上每個(gè)單元的幅度和相位響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)波束賦形。相比于傳統(tǒng)相控陣，透射陣和反射陣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低成本的優(yōu)勢(shì)；而相比于傳統(tǒng)透鏡和反射面天線，其又具有較高的設(shè)計(jì)靈活度。因此，透射陣和反射陣在后5G和6G無(wú)線通信系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。但由于色散效應(yīng)和單元帶寬的限制，傳統(tǒng)透射陣和反射陣的工作帶寬通常較窄。

磁電偶極子天線是一種互補(bǔ)天線，能夠?qū)⒋排紭O子和電偶極子同時(shí)在相近頻率激勵(lì)，從而擴(kuò)展天線的工作帶寬。此外，磁電偶極子天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益平穩(wěn)和后瓣低等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在基站天線、封裝天線以及相控陣天線中。近幾年，磁電偶極子的結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用在透射陣和反射陣的設(shè)計(jì)上，以提升傳統(tǒng)透射陣和反射陣的技術(shù)指標(biāo)。

在這篇綜述中，我們首先簡(jiǎn)單介紹磁電偶極子天線的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后講解了透射陣和反射陣的設(shè)計(jì)方法。緊接著，我們回顧了基于磁電偶極子結(jié)構(gòu)的透射陣和反射陣的設(shè)計(jì)。在固定波束的無(wú)源設(shè)計(jì)中，我們著重介紹了分別基于時(shí)延線相位補(bǔ)償和幾何相位補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)寬帶高增益設(shè)計(jì)；在波束賦形的有源設(shè)計(jì)中，我們著重介紹了基于1-bit 相位補(bǔ)償?shù)耐干潢嚭头瓷潢囋O(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)橥干潢嚭头瓷潢嚨脑O(shè)計(jì)者提供借鑒思路。

圖1：RA and Antennas based on ME dipole

總結(jié)與展望

磁電偶極天線結(jié)構(gòu)能夠有效提升傳統(tǒng)透射陣和反射陣的技術(shù)指標(biāo)。目前，研究者們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種基于磁電偶極子的透射陣和反射陣天線，取得了令人鼓舞的成果，但仍存一些需要解決以及改進(jìn)的問(wèn)題。首先，這些設(shè)計(jì)仍然存在剖面較高的問(wèn)題。盡管折疊式的設(shè)計(jì)可以降低天線剖面，但與平面天線陣相比，仍有較大差距；其次，有源設(shè)計(jì)的相位精度需要進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)高口徑效率、低副瓣和大掃描角度等特性；第三，需要提出能夠集成多種功能于一體的設(shè)計(jì)，能夠更好地滿(mǎn)足日常應(yīng)用要求；第四，有必要進(jìn)行在太赫茲頻率下的波束賦形方案的研究與設(shè)計(jì)；最后，如果能夠引入機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，將有望降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。