圆极化复用超表面：5G毫米波宽带双向透反射阵天线

与传统的透射阵或反射阵天线相比，具有双向辐射特性的透反射阵天线（Transmit-reflect-array antenna）显著提升了波束覆盖范围、电磁空间利用率、以及射频器件的功能集成度，有望广泛应用于微波传感器网络、中继通信等场景中。极化选择型全空间超表面可以将正交极化入射电磁波分别分配到透射和反射通道上，因而可应用于透反射阵天线设计中。近年来，针对线极化波调制的全空间复用超表面及透反射阵天线多有报道。然而，如何针对圆极化电磁波实现结构简单、宽带高效的圆极化透反射阵天线仍然具有一定的挑战性。

针对上述问题，本课题组近期提出了一种圆极化复用全空间超表面的设计方法，并利用其实现了宽带高效的毫米波透反射阵天线。利用圆极化微带贴片单元具备的手征特性，将两个相同的贴片单元结构通过背靠背相连的方式，设计了一种具有高效圆极化选择性的透反射超表面单元。旋转上下层贴片单元可以获得两个自由度实现透射和反射通道相位的独立调制。由这一单元构成的圆极化复用全空间超表面可以将入射的左旋圆极化（LCP）球面波透射并转化为平面波，同时将入射的右旋圆极化（RCP）球面波反射为具有一定偏转角度的反射平面波。最终，结合宽带Fermi天线作为馈源，即可实现圆极化透反射阵天线的双向、同时辐射功能。天线工作频段设定为5G无线通信中的毫米波FR2频段。所验证的圆极化透反射阵天线整体峰值口径效率为61.2%，前向/后向辐射波束的1-dB增益带宽为18.2%/24.6%，3-dB轴比带宽为38.6%/38.5%。得益于上述优良性能，所提出的圆极化透反射阵天线在远距离卫星通信、雷达探测、无线通信等领域具有良好的应用前景。

相关研究成果以“A Wideband High-Efficiency Transmit-Reflect-Array Antenna for Bidirectional Radiations With Distinct Circular Polarizations Based on a Metasurface”为题发表于学术期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》（DOI: 10.1109/TAP.2023.3249911）。南京大学博士研究生杨维旭为本文第一作者，陈克副教授与冯一军教授为论文的共同通信作者，本课题组的赵俊明教授、姜田教授也参与了工作。该工作自发表以来，在IEEE Xplore官网近两个月的下载量达到822次，4月单月下载量达到521次，被遴选为《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》期刊2023年4月“最高下载量文章（Top Accessed Documents）”之一，同时入选“天线与传播热点研究（What’s Hot in Antennas and Propagation?）”。