基于磁電偶極子的透射陣和反射陣天線

導讀

隨著工作頻率的上移，無線通信系統可以獲得大帶寬、高速率和低時延的優點，但也會造成電波傳播的路徑損耗增大。高增益天線雖然能彌補這一問題，但高增益會帶來窄波束、覆蓋范圍小的問題。因此，具有波束賦形特性的高增益天線才能具有較好的應用前景。

透射陣和反射陣是基于空間饋電的天線陣列，通過調制陣面上每個單元的幅度和相位響應，實現波束賦形。相比于傳統相控陣，透射陣和反射陣具有結構簡單和低成本的優勢；而相比于傳統透鏡和反射面天線，其又具有較高的設計靈活度。因此，透射陣和反射陣在后5G和6G無線通信系統中具有巨大的應用潛力。但由于色散效應和單元帶寬的限制，傳統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天線，能夠將磁偶極子和電偶極子同時在相近頻率激勵，從而擴展天線的工作帶寬。此外，磁電偶極子天線還具有結構簡單、增益平穩和后瓣低等特點，因而被廣泛應用在基站天線、封裝天線以及相控陣天線中。近幾年，磁電偶極子的結構逐漸被應用在透射陣和反射陣的設計上，以提升傳統透射陣和反射陣的技術指標。

在這篇綜述中，我們首先簡單介紹磁電偶極子天線的基本結構和工作原理，然后講解了透射陣和反射陣的設計方法。緊接著，我們回顧了基于磁電偶極子結構的透射陣和反射陣的設計。在固定波束的無源設計中，我們著重介紹了分別基于時延線相位補償和幾何相位補償的兩個寬帶高增益設計；在波束賦形的有源設計中，我們著重介紹了基于1-bit 相位補償的透射陣和反射陣設計，希望能夠為透射陣和反射陣的設計者提供借鑒思路。

圖1：RA and Antennas based on ME dipole

總結與展望

磁電偶極天線結構能夠有效提升傳統透射陣和反射陣的技術指標。目前，研究者們已經設計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的問題。首先，這些設計仍然存在剖面較高的問題。盡管折疊式的設計可以降低天線剖面，但與平面天線陣相比，仍有較大差距；其次，有源設計的相位精度需要進一步提高，以實現高口徑效率、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計，能夠更好地滿足日常應用要求；第四，有必要進行在太赫茲頻率下的波束賦形方案的研究與設計；最后，如果能夠引入機器學習等方法，將有望降低設計復雜度，縮短設計時間。