研究人员将折纸作为可重构天线设计的基础

在毫米级波长下工作的集成电路对5G至关重要。但这些技术也导致了可扩展相控阵架构的发展，这对传感和成像很有用。

沿着这些路线，普林斯顿大学宣布，他们在普林斯顿大学的一个研究团队，由P.U.电气和计算机工程副教授Kaushik Sengupta领导，将这种架构提升到了一个新的水平。在他们的论文中，研究人员描述了一种基于折纸艺术的新型天线阵列。他们的元表面阵列被称为“水炸弹”，设计得像一个折叠的纸盒，可以创建一个可重新配置的雷达成像表面。

 

折纸结构使工程师能够快速转换天线阵列，从而提高他们的能力。图片由普林斯顿大学提供

 

为了实现这样的安排，研究人员在平面天线面板上安装了一类新的宽带超表面天线。然后，他们将这些面板连接起来，形成一个带有偏移棋盘图案的折纸表面。

他们报告说，他们的可重新配置天线可以将其形状改变为曲线或球体，以改变校准波中的电磁波，从而使表面能够处理来自更宽波谱的信息。这种能力扩展了天线用于成像和传感应用的能力。

 

可重构天线阵列的优点

成像表面的特性，如信噪比和分辨率，在很大程度上取决于表面可以合成的电磁波的多样性。然而，毫米波系统的一个特征是它们主要是平面的。平面系统是优选的，因为它们简单且易于设计。

另一方面，在平面成像阵列中，频率和空间分集是有限的。因此，人们对改变表面拓扑结构以高度控制无线电波的合成非常感兴趣。

普林斯顿大学的研究人员表示，他们的可重构系统结合了平面阵列的简单性和辐射频率相关正交场投影的能力。此外，基于折纸的天线阵列允许对具有更宽视场的复杂散射场景成像所需的大物理孔径。

 

作为构建块的元表面天线

超表面天线受到了研究人员的极大关注，因为它们可以被设计成实现不同寻常的传输和反射特性，以改变表面反射波的色散特性。最近，超材料已被用于使天线小型化，例如互补分裂环谐振器（CSRR）负载天线。

尽管每个谐振器不是一个好的辐射器，但这些元件的阵列可以提供极好的辐射特性，为控制大超表面上电流的大小和相位提供高度的自由度，并且由于元件间耦合而提供良好的阻抗匹配。

普林斯顿大学的研究人员将这些辐射频率相关的几乎正交投影的元表面瓷砖与折纸电磁表面相结合，从而获得更好的视野。

 

折纸设计理念的实现

研究人员在可变结构上安装刚性超表面天线必须满足几个限制条件。该设计在制造过程中需要柔性铰链，以相对高的填充因子保持天线彼此平面。此外，可能的折叠图案的范围取决于刚性的可折叠性和铰链。

 

使用元表面天线瓦片的折纸结构的说明，以及它们如何帮助有限的视野。图片由森古普塔和合著者提供。（点击图片放大）

 

普林斯顿大学的研究人员轻而易举地实现了前三种变形：平面变形、x圆柱体变形和y圆柱体变形。然而，球面需要一定的曲率。他们使用了一种众所周知的折叠模式，称为水弹镶嵌，可以实现曲率。然后，他们使用一种名为移植的技术将方形瓷砖插入这种图案中，以保持单个元表面瓷砖与所需的平面、圆柱体或球体保形。

 

成像阵列的表面设计。使用元表面天线瓦片的折纸结构的说明，以及它们如何帮助有限的视野。图片由森古普塔和合著者提供。（点击图片放大）

 

该团队将22块有源超表面面板连接到可重新配置的水弹表面，这些面板在17 GHz至27 GHz范围内辐射近正交模式，展示了该表面对复杂3D物体进行全面详细成像的能力。