波束可重构阵列天线

波束可重构阵列天线的工作原理主要基于相位调控技术。通过调整阵列中每个单元的相位，可以改变整个阵列的辐射方向图，从而实现波束的重构。

这种调控可以通过电子调谐（如使用PIN二极管等电子器件）或机械调谐（如调整反射单元的物理位置）等方式实现。

技术进展

1. 相位量化与开关配置：为了降低反射损耗，研究者们对相位量化方式和量化位数的选取进行了深入研究。同时，也关注了开关配置对天线性能的影响，以优化可重构单元的设计。

2. 超表面技术：超表面作为二维形式的超材料，能够有效地调控电磁波的极化方式和波前相位。将超表面应用于波束可重构阵列天线中，可以实现对电磁波的更精细调控，进一步提高天线的性能。

3. 多波束与宽角扫描：通过合理设计反射阵面上的相位分布，波束可重构阵列天线可以实现多波束性能。同时，通过电子调谐等方式，还可以实现大角度的波束扫描功能。

应用与前景

1. 卫星通信：波束可重构阵列天线在卫星通信中具有重要应用。它可以根据需要调整波束方向，以优化通信链路的性能。此外，多波束功能还可以提高通信容量和覆盖范围。

2. 雷达系统：在雷达系统中，波束可重构阵列天线可以实现高精度的波束控制和扫描功能。这有助于提高雷达的探测性能和抗干扰能力。

3. 成像与探测：波束可重构阵列天线还可以应用于高帧率、高分辨成像雷达以及低小慢目标探测等领域。其高精度波束控制和扫描功能有助于提高成像质量和探测精度。

相比于常规的相控阵，波束可重构阵列由于采用可调移相网络或可重构的阵元，能够在规避 T/R 组件或压缩阵元规模的前提下，实现高增益且灵活的波束扫描和波束赋形功能。因此，波束可重构阵列在小型化和大规模部署的系统中有着广泛的应用前景。

现有的波束可重构阵列，按照可重构的侧重点，大致可分为：

1）基于可调移相器的波束扫描阵列，

相比于经典的相控阵架构，基于可调移相器的波束扫描阵列，通常利用可调的移相器代替常规的 T/R 组件或移相器芯片，简化了相控阵的前端设计，在压缩阵列馈电成本的前提下，仍能实现高增益的波束扫描功能。

但是，由于可调移相器的限制，基于可调移相器的阵列仍难以实现波束大角度扫描，且移相器带来了较大的损耗。此外，阵列和馈电网络的总体尺寸仍然占据着不小的空间。

2）基于多波束网络的可重构阵列， 

针对 T/R 架构的高成本和可调移相器的损耗大的问题，近年来不少学者将研究目光转向了多波束网络，将常规的多波束网络和可重构技术相结合，设计实现了低成本且低损耗的可重构多波束网络。基于多波束网络的可重构阵列，在矩阵网络的基础上，搭配小范围的可调移相设计（更低的损耗和更高的平坦度），获得了大范围可调相位或多个相移状态，进而实现了多波束连续扫描。

但是，矩阵网络通常有多个输入端口，这就导致在实际应用中，需要在前端增加一个多路开关设计，增大了系统的复杂度。此外，常规的微带或 SIW 形式的矩阵网络，通常需要占用一个很大面积的基板（大尺寸）。

3）基于可重构阵元的宽角扫描阵列，

基于可重构阵元的宽角扫描阵列，是一类方向图因子可调控的低成本且宽角扫描的相控阵列。在波束扫描过程中，通过不断调控阵元的方向图（方向图因子），进而分区接力完成大范围波束扫描。更为重要的是，相比于传统相控阵，由于方向图因子动态可调，因此在维持宽角扫描性能的前提下，阵元数量可以大幅度减少，继而实现了更低的成本和更小的尺寸。

对于多波束阵元组阵的方案，虽然消除了电子开关带来的欧姆损耗，但是需要配给额外的端口切换电路或相位控制网络，这就不仅占用了更大的尺寸，还使得前端系统更为复杂以及成本的增高。因此，从现有工作可知，目前制约基于可重构阵元的宽角扫描阵列性能提升的关键是：设计实现高性能的方向图可重构阵元。

[1] 王崭.方向图可重构天线及其阵列研究[D].电子科技大学,2023.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2023.005692.

[2] M. A. Y. Abdalla, K. Phang and G. V. Eleftheriades, "A Planar Electronically Steerable Patch Array Using Tunable PRI/NRI Phase Shifters," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 3, pp. 531-541, March 2009, doi: 10.1109/TMTT.2008.2012312. 

[3] X. Ding, B. -Z. Wang and G. -Q. He, "Research on a Millimeter-Wave Phased Array With Wide-Angle Scanning Performance," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no. 10, pp. 5319-5324, Oct. 2013, doi: 10.1109/TAP.2013.2275247.