近日，上海科技大学林丰涵课题组提出并实验验证了一种基于表面阻抗等效的快速模式分析、调控与综合方法，通过物理等效实现了多模分析与计算效率的极大提升。进一步，研究人员将该方法应用于超构表面谐振器阵列的高效特征模式分析与调控，实现了超构表面谐振器的小型化及其阵列的多模宽带辐射。上述研究成果以“Modeling and Analysis of Wideband Multilayer Metasurface Antenna Array Using Characteristic Mode Analysis”为题，发表于电磁场与微波技术领域国际知名学术期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation三月刊。
第六代移动通信需要突破单口面天线性能的极限以实现通信速率的进一步显著提升。多模多入多出天线阵列技术在上一代多入多出天线技术的基础上新增了多模态这一全新的自由度，是实现单口面性能突破的关键使能技术，其核心是实现多模谐振辐射器及其阵列的快速模式分析、按需多模调控和高效模式耦合激励。但是，由于模式空间解的丰富性，即便在最先进的单节点双路处理器上对多模谐振器进行一次精准的模式谱分析也可能需要上百小时。因此，受限于大规模、高精度的模式分析对庞大高效并行算力的现实要求，该技术一直未得到学术界和工业界的重视，成为阻碍高性能多模天线技术和下一代移动通信技术快速发展的关键瓶颈之一。
本文提出并实验验证了一种基于表面阻抗等效的快速模式分析、调控与综合方法，通过物理等效实现了多模分析与计算效率的极大提升。如图1所示，研究中的关键步骤分为四步：
（1）利用周期排布的亚波长序构单元阵列来构造了几何结构对电磁场积分算子的几何微扰。
（2）利用场等效原理将该效应等效为一种表面阻抗的微扰，将多变量几何空间到模式空间的多值映射问题简化为了实数（阻抗值）空间到模式空间的单一映射，在极大降低未知量的同时又不影响解空间的完备性。
（3）利用混合阻抗表面模型以处理局部场突变时的模式分析问题，实现了对复杂多模结构分析的30倍以上加速。
（4）结合实际设计，同时利用分布式和集总式电抗加载对模式间距进行精细化调控，实现超构表面辐射器的小型化及其阵列在增益带宽积上的显著提升。
图1：多模超构表面阵列的分析综合流程框图：（a）等效模型，（b）几何模型，（c）混合模型。
该工作提出的等效表面模式分析方法是电磁超构表面的特征模理论从单元向阵列的重要拓展，通过降低对复杂超构表面阵列进行模式分析、综合和调控的时间与成本，为进一步分析阵列互耦的模式机理、构建先进多模多入多出天线阵列技术提供了高效的建模、分析和设计工具，为进一步突破单口面天线性能极限、实现通信速率的进一步显著提升提供了新的技术思路与储备。
上海科技大学信息学院博士研究生高佳璠和林丰涵教授分别为该论文的第一作者和通讯作者。该成果得到了国家重点研发项目（青年科学家），国家自然科学基金（青年），临港实验室和上海市科委的资助。
原文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10012652
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