中澳联合研究探索极化可编程阵列天线 | Engineering

传统天线通常是根据给定系统的规范设计的，包括波束方向图、天线增益、旁瓣电平（SLL）和极化。为了满足各种先进通信系统和多功能平台的需求，可重构天线技术得到了越来越多的关注并迅速发展。通过采用开关、调谐设备和先进材料等，可重构天线可实现实时地改变天线特性以满足系统要求。可重构天线可分为方向图可重构天线、频率可重构天线和极化可重构天线。可重构天线技术也是未来无线通信和传感系统中的一项重要的技术。众所周知，采用线极化（LP）可重构天线作为通信单元，可以从一组LP状态中选择更优的极化状态，从而提高通信链路的质量。然而，大多数公开报道的可重构天线是单元天线的形式。

电子科技大学刘颜回研究团队、澳大利亚悉尼科技大学Y. Jay Guo研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年9月刊发表了题目为《A Polarization Programmable Antenna Array（ 极化可编程阵列天线 ）》的研究性文章，提出了极化可编程的可重构天线阵列新概念，该阵列由多个具有有限极化数目的可重构天线单元组成。通过对所有的阵列单元的极化状态进行编程并采用一个新的优化策略对极化状态进行优化，证明了该阵列可以在矢量方向图中实现任意期望的LP，同时精确控制副瓣和交叉极化电平（XPL），从而完美匹配所需的通信信号的极化。为了证明该新概念，文章还提供了数值和实验结果，且这些结果彼此吻合得很好。

值得注意的是，尽管设计的极化可重构天线单元只能实现8个不同的LP状态，但实际上其矢量有源单元方向图（VAEP）在16个工作状态之间是不同的。例如，当一个单元天线工作在0°或180°的极化状态时，可以认为它是处于同一个极化状态，不过这两种状态下天线的VAEP是不相同的。因为在这两种状态下，单元辐射的电磁场矢量及单元与其相邻单元之间的互耦都是不同的。因此，在阵列单元极化状态优化中，该单元天线被视作具有16种不同的极化状态。这16个极化状态的极化方位角分别为{0°, 22.5°, 45.0°, ..., 315.0°, 337.5°}，其中间隔 Δ ϕ =22.5°。

总之，文章提出了一款新颖的极化可编程阵列天线。该阵列由16个天线单元组成，每个天线单元具有8种可选的离散的极化状态，且由现场可编程逻辑门阵列（FPGA）控制切换。通过有效的策略来获取近似天线的矢量方向图并用二进制遗传算法（BGA）优化单元极化状态配置，该阵列可以产生任何期望的LP上约束SLL和XPL的方向图。

以上内容来自：Dingzhao Chen, Yanhui Liu, Ming Li, Pan Guo, Zhuo Zeng, Jun Hu, Y. Jay Guo. A Polarization Programmable Antenna Array [J]. Engineering, 2022, 16(9): 100-114.