基于有源超表面的低剖面双波束偏转天线

针对传统的波束控制天线剖面高、成本高以及馈电网络复杂的问题,提出了一种基于有源超表面的低剖面双波束偏转天线设计方案。天线由“E”型双波束馈源天线和“7×6”透射型超表面组成。基于电流反转机制,在每个超表面单元上集成2个PIN二极管,实现了1-bit相位分辨率。结合相位补偿定理与远场辐射公式,对超表面单元进行组阵编码,以实现波束调控的性能。该天线的剖面仅为0.162λ0,明显低于其他波束偏转天线。通过设计超表面的偏置网络,实现了天线的双波束偏转。为了验证该方案,对天线进行加工测试。实测结果表明,在工作频率5.47GHz处,双波束的主辐射方向可分别从(ϴ,Φ)=(30°,45°)、(-30°,-41°)偏转到(ϴ,Φ)=(30°,-45°)、(-30°,41°),增益高于8.9 dBi,实测结果与仿真结果具有较好的一致性。所提出的波束控制天线架构为实现低剖面、可调控的多波束天线提供了一种候选方案。

基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线

针对无人机数据链通信存在抗干扰性能差、防捕获能力弱等问题,提出了一种具有良好气动性能的基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线。该天线由宽带平面印刷全向天线、窄截面有源超表面天线罩以及双频阻抗匹配网络组成。当超表面天线罩上二极管均截止(未加偏置电压)时,天线罩处于全透波状态,天线工作于宽带全向通信模式。当超表面天线罩特定区域二极管导通时,该区域天线罩处于全屏蔽状态,天线工作于双频定向通信模式,此时通过引入双频阻抗匹配网络显著改善天线的阻抗匹配。全向通信模式下,天线相对带宽达到44.6%,全向增益可达1.37 dBi,不圆度小于2.5 dBi;定向模式下,双频天线上下频带分别为1.4 GHz和1.8 GHz,相对带宽分别为9.1%和15.3%,最大定向增益达5.2 dBi。该天线具有窄截面、低成本等优点,能够在宽带全向通信和双频定向通信工作模式之间灵活切换,有望提高无人机抗干扰、防捕获的性能。

基于有源超表面的导电板雷达截面增强捷变设计

提出了一种使用散射方向图的动态可重构以实现雷达散射截面增强的捷变设计方法。结合变容二极管加载,使用具有嵌入式偏置回路的物理单元,所提出的有源超表面可以在具有梯度电压的外加直流偏置下,对平面电磁波的正入射或斜入射产生可电调的反射系数相位分布,以达到对反射波角度的灵活重定向,进而有助于单站或双站雷达散射截面增强的捷变效果。以导电平板为例,对三种不同的入射反射场景进行了计算与全波仿真,在设计频率10 GHz处,所提出的设计产生了可重构的散射方向图,表明了该设计对反射波角度的实时控制,并结合实验测量验证了单站与双站雷达散射截面的有效增强结果。

基于深度学习的有源智能超表面通信系统

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)作为未来无线通信系统中最受关注的物理层技术之一,开创了由适应环境到重构电磁传播环境的全新通信范式。然而由于“乘性衰落”效应,RIS在典型的通信场景中只能实现微不足道的容量增益,而这在许多现有工作中被广泛忽视。针对上述现象,有源RIS可以通过主动放大反射信号,有效克服“乘性衰落”的高路径损失。为此提出了一种基于端到端(End-to-End,E2E)学习策略的有源RIS辅助的通信系统。通过深度学习网络,可以联合优化基站(Base Station,BS)以及RIS处的预编码与功率分配,以及用户(User Equipment,UE)的合并矩阵设计,避免了传统方案交替优化带来的高复杂度。具体来说,利用三个深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)分别实现BS的预编码矩阵,BS与RIS处功率分配以及UE端的合并矩阵设计,并利用一个可学习参数向量表征RIS中的相位设置。仿真结果表明,所提出的基于深度学习的有源RIS传输方案相对于传统的无源RIS通信方案与无RIS方案,实现了更优的误比特率(Bit Error Rate,BER)性能。

有源电磁超构表面应用综述

电磁超构表面具有卓越的电磁波人工控制能力,可应用于透射、反射、衍射等多种情况,因此,超构表面在基础光学和电磁调控领域中的具有巨大的应用潜力及前景。将有源元件引入电磁超构表面是开发下一代平面光学组件和电磁器件的关键步骤。在过去的几年里,许多研究者尝试开发基于各种新型活性材料和可调谐机制的超构表面器件,使之具有动态调控功能的光学特性(如振幅、相位、偏振、空间、时间响应)及器件功能(如光束转向、动态聚焦、可调谐滤波器、动态全息图等)。这些有源超构表面在实际应用中显示出巨大的前景,但仍存在重大挑战。本文主要讨论了基于有源电磁超构表面的若干潜在应用、新兴技术和研究方向。

光控电磁超材料研究进展

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等。所以,可调有源超材料越来越受关注。通过引入有源元器件,超材料的功能可通过外部激励信号进行动态调控,在实际应用中具有重要意义。目前常用的控制方式包括电控、温控、光控和机械控制等,其中光控具有可远程调控、无接触式控制、调制速度快以及结构简单等优点。该文概述了近年来光控电磁超材料的研究进展,从直流、微波、太赫兹和光频段4种不同频段分别介绍现有光控超材料和超表面的工作,重点介绍其工作机制和应用场景,并对这一快速发展领域进行总结和展望。