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近日，天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队研发了一款应用于车联网的多波束四极化透射阵天线。相关成果以“Multi-beam quad-polarized transmit-array antenna with arbitrary radiation direction for vehicle communication via generalized phase superposition”为题发表于天线与微波领域国际顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation。天津大学博士生张超为论文的第一作者，天津大学罗宇教授为论文的通讯作者。车辆通信由于能够有效改善道路安全并提高交通效率，在学术界和工业界均受到广泛关注。车联网是一个复杂的实时信息交互网络，其中包括汽车-卫星链接、汽车-地面基站链接、汽车-基础通信设施链接等。如图1所示，车联网是一种多用户终端、多极化方式并存的复杂通信系统，这对于射频前端电路，尤其天线的性能提出了更高的要求。
图1 车联网通信示意图
为了能够与更多的终端建立通信链路，一种可能的解决方案是多天线集成设计，然而这将不可避免地增大射频前端空间和设计复杂度。相比之下，多波束透射阵天线具有明显的优势。然而，目前关于透射阵天线的研究大都局限于单波束、单极化工作模式。这导致天线无法与卫星或基站等多个终端建立可靠的链路，限制了其应用场景。综上，亟需设计一种结构简单的多波束、多极化工作模式并存的透射阵天线，以确保器件在多终端、多极化复杂通信系统中的通信能力。
研究团队提出一款具有任意辐射方向的多波束四极化透射阵天线，该天线可同时辐射包含双线极化和双圆极化的四个高增益波束，其辐射功能如图2所示。
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图2 透射阵辐射功能示意图
在设计过程中，首先设计了一款简单的准各向异性超表面单元，仿真得到了其对x和y极化的幅度和相位响应函数，建立单元库。其次，提出并利用广义相位叠加原理，得到x和y极化下的目标幅度和相位分布，如图3(a-b)所示。在叠加过程中分析了辐射方向和参考相位对线极化和圆极化高增益波束的影响。最后，为提升阵面的相位补偿精度，提出了一种组阵方法。该方法首先滤除了透射幅度较低的超表面单元，接着将目标相位分布与单元库中各单元的相位响应进行匹配，优化出最优的单元分布，得到超表面孔径各位置出的单元尺寸。通过使用一款Fermi天线作为馈源天线，所提出的超表面天线可辐射出四个具有不同极化方式的高增益波束，如图3(c)所示。所提出的多波束四极化天线同时被加工验证(图2(c))，其多波束辐射性能及极化复用能力可有效应用于多终端多极化复杂无线通信网络。
图3 (a) x极化的目标幅度和相位分布，(b) y极化的目标幅度和相位分布，(c) 辐射方向图
图4 加工照片及测试环境
该研究可同时辐射包含双线和双圆极化方式的多个波束，克服了传统设计在波束数量和极化方式上的工作局限，可为多用户终端提供更加多样的通信方式，为多极化并存的复杂无线通信系统提供一种候选的解决方案。
本工作得到了科技部重点研发计划、国家自然基金重点项目等项目的资助。
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论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10776029
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