近日，天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队研发了一款具有任意透-反射功能和功率连续可调透-反射功率比的超表面天线。相关成果以“A Reconfigurable Transmit-Reflect-Array Antenna with Arbitrary Variable Transmit-Reflect Function and Continuous Adjustable Power Ratio”为题发表于天线与微波领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation。天津大学博士生张超为论文的第一作者，天津大学罗宇教授为论文的通讯作者，本工作还得到了东南大学郝张成教授的指导。
在传统设计中，基于超表面结构的空馈天线往往仅能实现半空间的电磁覆盖，空间利用率低且信号覆盖范围受限。为了提高天线的功能灵活性并扩展其应用场景，基于可调谐器件的可重构透-反射超表面天线是一种有效的解决方案。可重构透-反射超表面天线可实现全空间范围辐射并能够灵活调控电磁波特性，大大提升多终端的链路连接能力和通信的灵活性。
现有可重构超表面天线的研究往往集中于波束赋形等方面的研究，对于天线辐射波束的功率分配问题鲜有报道。然而，在实际通信过程中，较高的增益会导致不必要的能量泄漏，而较低的增益又难以保证通信链路的稳定性。基于此，该团队设计了一款可连续调节多个辐射波束能量的可重构超表面天线。
研究团队提出的可重构超表面天线的结构及其功能如图1所示。该超表面天线主要馈源、超表面孔径以及直流电源三部分组成。通过调节直流电源的输出电压可实现对透射和反射波束辐射能量的连续调节。
图1 可重构超表面天线的结构及功能示意图
在该设计中，超表面单元主要由幅度调节结构(AMS)和相位调节结构(PMS)组成。AMS上加载变容二极管，通过改变变容二极管两端的反偏电压，可实现对透射和反射能量的动态分配。在此基础上，AMS结构的上下两侧分别存在可调节透射和反射相位的PMS。这种可重构单元的结构配置保证了该单元即能够独立的设计透射和反射相位分布(透-反射辐射功能)，也能够有效调节透-反射能量，从而设计具有不同透-反射功能的超表面天线。作为演示，研究团队设计了一款透射+1阶OAM波束和反射高增益波束的可重构超表面天线，仿真结果如图2所示。当反偏电压从0V增加到16V时，天线能够从全透射状态逐渐转化为全反射状态，透-反射波束可获得任意连续可调的功率比。研究团队加工并测试了该天线，验证了其正确性，实物照片如图3所示。
图2 天线在不同反偏电压下的辐射方向图
图3 加工照片及测试环境
该可重构天线可实现对透射和反射功能的任意设计，且天线在透射和反射两种状态下均可获得精确的相位补偿，克服了传统n-bit可重构超表面单元的相位误差限制，提升了天线的增益和孔径效率。此外，该研究成果可灵活的调控透射和反射波束的辐射能量，能够实现对辐射信号强度的按需分配，为无线功率的动态分配提供新的设计思路。
论文链接
https://ieeexplore.ieee.org/document/10994303
