近日，天津大学微电子学院互联感知微电子实验室马凯学、罗宇教授团队研发了一款具有精确相位补偿的透-反射可重构超表面天线。相关成果以“A reconfigurable metasurface with precise phase distribution for both transmission and reflection functions”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。
增益天线在远距离通信系统(例如卫星、雷达等)中具有不可替代的作用。相比相控阵天线设计，基于超表面的空馈天线可有效调控电磁波辐射特性，并不需要额外的复杂馈电网络。传统的超表面空馈天线设计主要分为透射阵和反射阵两类。然而，上述两类天线均只能实现半空间范围内的电磁调控，工作范围有限。
为提供更宽的信道容量和更广的信号覆盖，具有双向辐射特性的透-反射阵得到关注。在传统非电控透-反射阵设计中，透/反射波束往往需要工作在异频或正交极化下，这限制了其应用场景。相比之下，基于电控的透-反射阵打破了波束在频率、极化维度上的限制，具有实时调控等优势。然而，目前大多数电控可重构透-反射阵仅能提供1bit的相位补偿，限制了阵面的孔径效率。因此，亟需设计一种具有精确相位补偿的可重构透-反射阵，以确保全空间范围内远距离终端的通信服务质量。
研究团队提出一种新型透-反射可重构超表面天线。如图1所示，该天线由馈源和阵面两部分构成。阵面各单元上分别加载一个PIN二极管，通过控制二极管工作状态，天线能够在透射和反射两种状态下灵活切换。
图1 天线的工作示意图
图2展示了超表面单元结构及其相位补偿特性。利用等效媒介理论并调节可重构结构位置，该单元在透/反射两种状态下均能实现近似360°的相位覆盖，且二者的变化趋势近似。基于该单元，所提出的超表面孔径在透射和反射状态下的相位误差均控制在14°以内。阵面上各单元的尺寸分布及相位误差分布如图3所示。最终，该天线在透/反射两种状态下均获得了精确的相位补偿，孔径效率均在30%以上。团队仿真、加工了一款含9×9个单元的阵面，并于图4所示的暗室进行测试，仿真与测试结果吻合，验证了设计的正确性。图5为天线的仿真3D方向图。
图2 单元结构及相位响应，(a)结构，(b)相位
图3 阵面上的单元分布及相位误差，(a)尺寸分布，(b)相位误差
图4 测试环境
该研究突破了传统非电控透-反射阵在频率、极化等维度上的限制，同时克服了电控透-反射阵在相位补偿方面的缺陷，在兼顾透/反射波束独立调控的同时，保证了超表面阵面的孔径效率，为设计可重构超表面天线提供了新思路。
本工作得到了国家自然基金重点项目、科技部重点研发计划等项目的资助。
文章链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10623364
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