数字编码天线阵列

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。

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。

[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.