降低天线相互耦合的方法--软表面（Soft Surfaces）_ACT_MAGNET_通信_声学_理论_材料

降低天线相互耦合的方法--软表面（Soft Surfaces）

随着天线朝向多制式、多频段和大规模部署的方向演进，天线之间出现的多样耦合干扰已对通信系统性能造成严重影响。电磁软表面（Soft Surfaces）是超材料的一种，具有反射相位带隙特性和表面波带隙特性。这种材料在微波领域有着潜在的研究意义和应用价值，例如用于贴片天线间的去耦等。

对特定极化的电磁波呈现高阻抗边界条件，从而抑制其传播。软表面可以通过横向波槽等结构来实现，当波纹高度为四分之一波长时，口径处的短路面变为开路面，表面阻抗沿传播方向为无穷大，从而阻止沿此方向传输的所有波。

硬表面：与软表面相反，硬表面允许沿特定方向（如波纹方向）的电磁波传播。

硬表面可以通过在纵向波纹中填充介质材料来实现，当介质高度适当时，可以支持电磁波的传播。在电磁学应用中，硬表面通常用于需要强辐射的场合。

Kildal在 1980 年代末定义了软表面和硬表面。软表面具有消除平面中一个方向上表面波传播的能力，而硬表面用于增强电磁场在给定方向上的传播。

自从从经典波纹衍生出平面版本以来，软表面可用于减少天线之间的相互耦合、消除背向辐射、增加天线的增益，甚至定制微带贴片天线的辐射方向图。

波纹表面可以被认为是一种典型的人工表面，自 60 年代以来一直使用，主要用于设计具有低交叉极化和旋转对称波束的喇叭天线。

在将衍射理论应用于横向波纹表面的边缘时，发现将二元边缘衍射系数修改为两种极化的独特标量“软”衍射系数就足以预测 E 和 H 平面上的场。因此，横向波纹表面在阻带中的行为方式与声学中的软表面相同。

人工磁导体、软/硬表面和其他复杂表面

上表说明了一些二维周期性表面和软/硬表面之间的关系，介绍了四种类型的曲面。

1、完美电导体（PEC）：该表面在EM社区是众所周知的。由于在分析引导或辐射特性时能很好地描述金属导体，因此被用于大多数EM建模和计算。

2、完美磁导体（PMC）：这个表面不是自然存在的，但它可以在频带内人工实现，被称为人工磁导体（AMC）。

3、PEC/PMC条形网格：这是理想软/硬表面的物理等效。表面具有局部无限和单向的电导率和磁导率，即电流和磁流只能沿同一方向流动。PEC/PMC条形栅格可以具有任何形状。这意味着电流的方向（即PEC/PMC条的方向）可以沿着表面变化（例如，天线元件周围的圆形PEC/PMC带环），并且表面本身可以具有任意形状（单弯曲或双弯曲、有限等）。

4、PMC型带隙表面：这是一种在水平和垂直极化的掠射角处阻止波的表面，而它本质上是一种接近垂直入射的PMC。对于前三个正则曲面，这个正则曲面不能用简单的一般边界条件来表示，目前只能对实际情况进行分析。

参考文献

[1] P.-S. Kildal and A. Kishk, "EM modeling of surfaces with STOP or GO characteristics—Artificial magnetic conductors and soft and hard surfaces", Appl. Comput. Electromagn. Soc. J., vol. 18, pp. 32-40, Mar. 2003.

[2] P.-S. Kildal, "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 38, no. 10, pp. 1537-1544, Oct. 1990.

[3] P. S. Kildal, A. A. Kishk and S. Maci, "Special issue on artificial magnetic conductors soft/hard surfaces and other complex surfaces", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, no. 1, pp. 2-7, Jan. 2005.

来源：微波工程仿真

数字编码天线阵列

基于数字辐射调控的思想，同时考虑到超表面的局限，2017 年东南大学的崔铁军团队，提出了数字表征可重构阵列（又称数字比特阵）的概念。数字编码表征可重构天线被认为是以 6G 和智慧物联网为代表的新一代无线通信的重要选择。目录数字表征的可重构阵列数字编码可重构天线现状参考文献 Coding MTMAs shown below👇数字表征的超表面可重构阵列随着数字超表面和信息超材料的发展，数字调控的思想也应用到可重构天线中，提出了一系列数字表征的可重构阵列。该类新颖的可重构阵列，采用有限数量的单元，在实现波束调控的同时，减省了传统的移相器设计，有效地降低了成本。下图为一种已发表的数字编码单元，由顶层的圆形电磁超表面、中间的圆柱形介质谐振器、底层的地板以及多极化可重构馈电结构组成。目前，数字表征的可重构阵列的研究主要集中在：1）1-比特数字阵列[20]；2）2-比特数字阵列[71]；3）串馈形式的比特阵列；由于 180°的大相差，传统的1-比特数字阵列难以实现连续波束扫描。传统的 2-比特数字阵列，在 1-比特的基础上，级联 90°移相器，但这些 2-比特方案消耗了大量 PIN 二极管或变容管，增大了成本，还牺牲了增益。传统串馈形式的比特阵列，利用串馈组阵来规避馈电网络，然后通过切换单元馈电，来实现多波束扫描。但是，由于串馈阻抗的跳变，通常存在效率低、增益不平稳以及带内波动大等缺点。此外，大部分传统的数字阵列，仅围绕着相位开展数字编码，其调控分量单一以及电磁波利用率低。需要指出的是，传统工作通常采用多路功分来馈电各阵元，但该方法难以应付大规模阵列设计。数字编码可重构天线现状按照激励形式的不同，现有数字编码可重构天线，可大致分为三大类：1）数字超表面（智能超表面），在数字超表面中，对电磁分量进行了离散化表征，以 1-比特相位单元为例，其“0/1”编码分别表示 0°和180°相位，将多个单元排列起来，就建造出了数字超表面。由于单元按 0/1 状态表征，因此通过设计不同的数字编码序列，就能得到不同相位响应的超表面，进而调控出不同的波束。与传统辐射体不同，数字超表面在功能上有两个突出的优点。第一，数字超表面能通过置入不同的数字编码序列灵活地调控波束和传输路径，自适应地动态对准用户、多目标覆盖以及补盲等。第二，在数字超表面中，建立了数字域和模拟域的直接映射关系，因此数字基带信号可以直接加载到辐射波上，而不再需要传统的混频链路。进而，基于数字超表面的信息调制机制（信息超材料），发展出了一种新型的直接调制通信体制，具有大容量和高速率的突出优势2）数字比特阵列，在阵元的馈电线上，串入 1-比特的微带移相器，设计出一种 1-比特相位辐射阵元，通过调控各个 1-比特阵元的相位状态，操纵出不同的数字相位分布，从而辐射出与数字超表面相似的波束。相比于调控散射波的数字超表面，数字比特阵列调控对象是辐射源，因此具有低剖面、阵列规模小以及增益高等显著优点。3）多比特数字阵列针对 1-比特数字编码阵列波束调控能力的缺陷，通过借鉴多比特数字超表面的研究思路，对应的发展出了多比特数字表征可重构阵列。相比于 1-比特阵列，多比特数字编码阵列，不仅实现了波束连续扫描还获得了更多的波束状态。但是，现有多比特单元方案，均需要消耗大量的开关，这就导致了成本的升高、控制复杂度激增以及损耗变大，在大规模阵列中尤为明显。此外，对于现有的数字表征可重构阵列，其主要的数字编码对象是相位，对于极化的调控也较为单一，极少工作涉及到幅度以及频率等电磁分量。参考文献 [1] Cui T J, Qi M Q, Wan X, et al. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials[J]. Light-Science & Applications, 2014, 3. [2] Cheng Q, Zhang L, Dai J Y, et al. Reconfigurable Intelligent Surfaces: Simplified-Architecture Transmitters--From Theory to Implementations[J]. Proceedings of the IEEE, 2022, 110(9): 1266-1289. [3] Zhang X G, Jiang W X, Tian H W, et al. Pattern-Reconfigurable Planar Array Antenna Characterized by Digital Coding Method[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2020, 68(2): 1170-1175. 来源：微波工程仿真