撰稿|由课题组供稿
近日，上海科技大学信息学院林丰涵课题组提出并验证了一种新型光控微波超构表面技术，利用激光代替导线对光电开关二极管状态进行远程无线操控，实现了对每个超构表面单元状态的独立无线控制。基于该技术，该团队进一步研制了具有1024单元的光控微波反射阵，仿真实现了正负60°的无栅瓣波束扫描，进一步对256单元光控微波反射阵的实验验证中，实现了最大正负45°的动态波束偏转。相关成果以“Light Controlled Large-Scale Wirelessly Reconfigurable Microstrip Reflectarrays”为题，近期发表于电磁场与天线领域国际旗舰学术期刊“IEEE Transactions on Antennas and Propagation”。
下一代无线通信网络对连续空间覆盖、混合近远场波束赋形、多用户定位传感和全息多入多出（MIMO）的需求对基站天线和中继散射通信系统的规模、成本、功耗、扫描角度等提出了新的苛刻的要求。现有相控阵天线系统因受T/R组件带宽、成本、制程工艺、热设计等多方面的限制，难以适用于民用无线通信系统。同时，基于电控的可重构超构表面受单元间可容纳的信号控制线最大数量的限制，在单元间距、栅瓣角度、最高工作频率、可扩展规模、极化自由度等多方面均受到限制，制约了可重构电磁超构表面技术在基站天线和中继散射通信系统的应用。
本文提出并验证了一种新型光控大规模无线可重构微带反射阵，利用激光代替导线传输控制信号，实现了大规模反射阵辐射方向图的可重构。研究中的关键设计分为三个部分：
（1）新型光控微波开关：研究提出将光电二极管和开关二极管结合，其电路原理图如图1所示，利用光电二极管电阻的光敏特性，实现光控电阻变化，从而控制回路电流，避免了对大规模微波开关二极管阵列进行控制时，由于线宽和线距限制所导致的布线难度和复杂度，可实现对任意数量开关二极管状态的无线控制。
图1 光控开关原理图
（2）新型光控可重构超构表面单元设计：图2所示位所设计的新型光控可重构超构表面单元，将上述光控微波开关串联于散射单元与额外的相位延迟线之间，并利用贴片单元的模式电场零点实现无散射直流偏置，实现了对每个散射单元反射相位的独立控制。
图2 光控可重构单元
（3）新型光控可重构反射阵列天线设计：图3为基于上述光控单元设计的1024单元无线可重构微带反射阵，在10 GHz对阵列进行仿真验证，实现了±60°的波束扫描，如图4所示。进一步对具有256单元的无线可重构微带反射阵进行小规模实验验证，并采用激光阵列控制，实现了最大45°的波束偏转，如图5所示。
图3 1024单元可重构反射阵结构
图4 1024单元光控可重构反射阵方向图扫描仿真验证
图5 256单元光控可重构反射阵结构与仿真实验结果
该工作提出的光控微波无线可重构超构表面技术从架构上解决电控超构表面因布线复杂度导致的单元间距、工作频率、极化自由度、可扩展规模、栅瓣抑制等受限的问题，有望为进一步提高可重构超构表面器件的空间分辨率、瞬时带宽、工作频率、调控自由度提供了新的解决方案和技术思路。
上海科技大学信息科学与技术学院缪思羽博士为该论文的第一作者，上海科技大学信息科学与技术学院林丰涵教授为该论文的通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。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。
https://ieeexplore.ieee.org/document/9998514
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