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毫米波波束控制天线

毫米波段的波长（1-100 mm），应用中会遇到许多问题，包括大气损耗、雨水衰减、高路径损耗、低衍射、多径延迟和树叶损失。已有研究数据显示，在 30 GHz 下，当 25 mm/h 的强降雨时，毫米波频段的衰减可高达 6 dB/km。当前技术主要是通过高度定向的波束克服路径损耗、衰落和多径延迟的问题。

Beam Steering

As shown below👇

波束控制天线技术

波束成形是一种将来自源的辐射功率聚焦在一个方向上，从而产生高度定向光束的方法。

可以设计一个可重构的天线系统来控制和控制这种聚焦波束的方向。这种天线被称为波束控制天线。

波束控制天线已成为天线和传播领域中极具吸引力的研究领域，不仅应用于 5G/6G 网络，还应用于航空航天、卫星通信和国防领域。

波束控制天线技术分为四大类，

1）相控阵天线

相控阵天线是实现波束成形和波束控制的最简单方法之一。相控阵天线可以用 N 缝衍射实验的类比来理解，其中来自阵列的整体波束是 N 个源（或阵列中的独立天线元件）的相干相长干涉的结果。阵列中的每个天线元件都带有相移，从而在辐射波束中引入时间延迟。来自每个辐射元件的这些时滞光束的相长干涉可实现方向控制。下图提供了使用六个开放式波导阵列在不同元件中相移引起的光束倾斜的简单表示。这种天线的辐射方向图和倾斜角可以使用阵列因子来估计。

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2）准光学系统

该技术使用不同的光学概念来生成光束可重构性。有三种常用方法：包括使用 Rotman 透镜、Luneburg 透镜和介电透镜（均匀和渐变折射率）。

3）漏波天线 (LWA)

LWA 于 1950 年代首次推出，以其波束扫描能力而广为人知。LWA 辐射是由行波在通过导向结构传播时会泄漏。LWA 通常具有频率控制光束扫描的固有特性，这意味着辐射光束方向会随着工作频率的变化而变化。这是因为 LWA 中的所有辐射元件都是按顺序馈送的，并且随着频率的变化，辐射元件之间的固有相移会发生变化，这直接影响光束方向。

4）超材料超表面

超材料和超表面是目前电磁学领域最受欢迎的话题之一。超材料被定义为人工结构，旨在表现出自然界中不常见的特定电磁特性。超材料因其能够为新材料提供可调介电常数、磁导率和折射率而受到广泛关注。这些材料可用于将光束重定向到不同的方向，从而实现一种简单的光束转向形式。这种光束倾斜可以通过斯涅尔定律来理解。

超表面是由超原子阵列组成的二维超材料，可用于控制电磁环境并将光束转向不同方向。FSS 可以被认为是此类超表面一种类型，通常通过在全向天线上放置小的 FSS 部分来用于完整的 360° 波束控制。

相控阵倾斜角计算的数学方法

相控阵天线可以用N缝衍射实验的类比来考虑，其中整个波束是阵列内N个源或单个天线元件相干相加的结果。

考虑一个两元件阵列，其中元件保持距离d，每个光束都有相移φ。由于每个元件中引入的相位差，第二个元件将在一段时间延迟τ后传输信号。这个时间差可以通过波束倾斜角度、θ和每个元素之间的距离来定义，可以写为，

𝜏=𝑑sin𝜃

总接收信号y（t）可以写为

天线接收到的信号s（t）表示为

带入上式，有

两个天线元件之间的相位差φ表示为

λ是波长。由于两个天线之间的相位延迟，此方程可用于计算波束中的倾斜。

扩展到N元天线阵列系统，写为

参考资料

[1] A. Bansal, C. J. Panagamuwa and W. G. Whittow, "State-of-the-Art Millimeter-Wave Beam Steering Antennas for Beyond 5G and 6G Networks: A comprehensive review," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 66, no. 5, pp. 40-51, Oct. 2024, doi: 10.1109/MAP.2024.3441378.

[2]https://ieeexplore.ieee.org/ielx8/74/7046333/10647105/supp2-3441378.pdf?arnumber=10647105

来源：微波工程仿真

超表面的光子自旋霍尔效应

超表面具有彻底改变各种光子和电子器件技术的潜力。在光学中，光子也具有电和磁成分，因此也应该表现出相应的光子自旋霍尔效应。Yin 等人使用设计超材料表面表明，光子的自旋-轨道耦合可以被放大，从而产生可观察到的光子自旋霍尔效应。目录光子自旋霍尔效应自旋霍尔效应简介参考文献SHEAs shown below👇光子自旋霍尔效应由亚波长复合材料制成的超材料具有电磁响应，这些响应主要来自设计结构而不是组成材料，从而具有非凡的特性，包括负折射率、超透镜和光学不可见性。作为 2D 超材料，超表面在表现电磁波方面表现出了有趣的能力。最近，报道了超表面的异常反射和折射，并且已经探索了各种应用，例如平面透镜。然而，超表面的一般方法忽略了光的自由度，这在这些材料中可能很重要。由于光子动量和自旋轨道相互作用极小，光的自旋霍尔效应（SHE）非常弱。yin等人报道了一种强光子 SHE，导致超表面测量到的偏振光大分裂。上图（A）可以看出，自旋轨道相互作用起源于光的横向性质。当光沿着弯曲的轨迹传播时，电磁波的横向性要求偏振旋转。（B）中表示由沿x方向具有强相位延迟梯度的超表面引起的横向偏振分裂。快速相位延迟使光在倾斜方向上折射，从而导致光子自旋霍尔效应(PSHE)。即使入射角垂直于表面，光学薄材料内强烈的自旋轨道相互作用也会导致光束在横向（y′方向）上累积圆形分量。这里表明，取决于沿超表面位置的快速变化的平面内相位延迟引入了强烈的自旋轨道相互作用，使光轨迹（S）偏离了费马原理所描述的S=SFermat+SSO（其中SSO是对超表面诱导的自旋轨道互作引起的光轨迹的校正）。自旋霍尔效应（Spin Hall Effect，SHE）自旋霍尔效应（Spin Hall Effect，SHE）是一种重要的物理现象，在自旋电子学领域具有广泛的应用。以下是对自旋霍尔效应的详细解释：一、定义与基本原理自旋霍尔效应是指在自旋轨道耦合较强的材料中，当电流通过时，电子会受到一个侧向的力（通常是由于自旋轨道相互作用产生的等效场），导致电子在横向产生自旋极化，即形成一个横向的自旋流。这个自旋流的方向与电荷流的方向以及电子的自旋极化方向相互垂直。二、历史背景1971年，D'yakonov等人首次预言了自旋霍尔效应，他们认为Mott散射能够实现电荷流和自旋流之间的转化。1999年，科学家们正式引入了自旋霍尔效应这一概念，并指出电流通过顺磁金属时横向方向可以产生自旋霍尔电压。2000年，人们基于自旋积累可以通过铁磁体探测而提出了实验方案来观测自旋霍尔效应。2004年，实验上首次观测到自旋霍尔效应，这是通过磁光克尔效应和自旋发光二极管在半导体中实现的。三、应用与前景自旋电子器件：自旋霍尔效应在自旋电子学中具有广泛的应用前景。例如，它可以用于开发更高效的电子器件，如磁存储器件中的读操作。通过检测磁存储器件中的自旋霍尔电压，可以实现快速且高灵敏度的读取操作，增加存储设备的性能和容量。材料研究：自旋霍尔效应还可以用于研究材料的自旋性质和拓扑物态。例如，它可以用来鉴定拓扑绝缘体中的拓扑保护表面态，这些表面态对电子传输具有特殊的拓扑保护性质，有助于实现高速量子计算和量子通信。自旋流的控制：自旋霍尔效应提供了一种利用电流诱导自旋流的方法，并可以用来测量自旋流的强度和方向。在自旋电子器件中实现自旋流的控制，有助于提高自旋电子器件的性能和功能。参考文献 [1] H. Wang et al., "Design of High-Isolation Topological Duplexer Utilizing Dual-Edge State Topological Waveguides," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 11, pp. 8802-8809, Nov. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3458399. [2] Xiaobo Yin et al. ,Photonic Spin Hall Effect at Metasurfaces.Science339,1405-1407(2013).DOI:10.1126/science.1231758来源：微波工程仿真