大创风采 |面向第五代通信技术的毫米波透射阵天线技术研究

编者按

微电子科学与技术学院始终坚持以学生成长为中心，紧密围绕学院“红色、专业、高效”的人才培养理念，积极推动和鼓励本科生参与创新科研项目研究，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才。2023年，学院共19个大学生创新创业训练计划项目顺利完成结题答辩，6个获评优秀项目。他山之石，可以攻玉，学院将通过“大创风采”栏目,对优秀项目进行风采展示。让我们一起走进微电学子的科研世界，听听他们的经验分享，了解大创项目背后的动人故事，并以此自勉，乘其励风，奋勇向前。

一、团队简介

项目名称：面向第五代通信技术的毫米波透射阵天线技术研究

项目等级：校级

指导老师：朱述炎老师

团队介绍：

张馨月：微电子科学与技术学院2020级本科生，连续三年获得本科生奖学金，一作发表会议论文一篇

陈可鑫 微电子科学与技术学院2020级本科生

黄秋语 微电子科学与技术学院2020级本科生

二、项目简介

近年来，毫米波/太赫兹技术的研究和应用获得了越来越多的关注。毫米波/太赫兹频段具有绝对带宽大、波长小的特点，可用于高速/超高速无线通信系统、小型化高清成像雷达等。此外，太赫兹还在安全检查、物质识别和医学成像等方面有广阔的应用前景。在各种毫米波/太赫兹系统中，电磁能量的收发器件直接决定着 系统的性能，比如通信容量、传输距离以及成像质量等。基于周期结构的超表面器件，如反射阵、透射阵天线和平 面反射镜等，不仅拥有传统抛物面天线和透镜馈电损耗小及易于实现高增益等优势，而且又具有设计灵活、体积小、易加工、低成本等特点，非常适合毫米波/太赫兹频段的应用。因此，对基于周期结构的超表面毫米波/太赫兹透射与反射器件进行研究，并充分发掘它们潜在的技术优势和应用就显得尤为重要。

透射阵天线可视为传统透镜天线与微带阵列天线结合的产物，巧妙地将传统透镜的三维曲面结构转化为近二维平面结构，具有低剖面、易共形和易集成等优势。毫米波定向天线提供波束形成、波束切换、波束控制和多波束操作，是各种应用的关键部件。在多个波束方向之间转换或在特定扇区内控制和操纵定向毫米波波束的能力在毫米波无线通信、卫星、成像和雷达系统等领域具有独特的特点。

  1、应用 Risley棱镜波束控制概念及消色差理论，我们提出了一种基于3D打印技术的机械控制波束扫描透镜天线，该天线由一对可旋转的类凹和类凸超透镜组成。超透镜组起着两个重要作用，一方面是通过控制两个超透镜的旋转速度和角度来实现二维光束转向性能，另一方面是通过类凹透镜和类凸透镜的补偿作用，消除光学色差，从而拓展天线系统的工作带宽。

   2、类凹透镜和类凸透镜由相同的全介质单元结构排列而成。单元结构呈六边铅笔的形状，其由上下两个部件组成，顶部六角锥形结构可以实现增透抗反射的效果，底部六棱柱通过高度变化来实现0-360°的相位补偿。

    3、超透镜组均用3D打印技术来实现，便于实现复杂的几何形状和结构，具有很高的自由度，具有灵活性、快速制造、节约材料、创新潜力、定制性以及低批量生产成本的优点，为毫米波天线在雷达、成像和下一代无线通信等未来应用带来了许多机遇和发展前景

      本项目利用3D打印技术，实现了双层全介质透射阵天线在75-110GHz的波束扫描功能，同时具有高增益、低损耗、大带宽的优势。

天线的设计需要极大地依赖电磁场电磁波以及光学的相关知识，而我们团队成员在这方面的知识是有所欠缺的，因此我们采用前期粗学，中后期边设计边精学的策略，前期的基础理论帮助我们确定设计方向，中后期用实践指导理论学习，这不仅保证了项目进度，也更有助于我们对项目相关知识的深刻理解。

在天线的优化时，由于天线模型参数很多，所以优化的路径及方向也很多，而每改变一个参数，完成重新仿真需要一周左右的时间，时间成本高、优化方向模糊，这对于我们来说是很大的挑战。我们与老师积极沟通，悉心接收老师的指导，同时也寻求同组师兄们的帮助，听取他们的意见。我们在老师及师兄们的帮助下，完成了初步优化，实现了天线的基本功能。之后，我们又广泛阅读波束扫描天线的相关文章，不断总结，加深理解，寻求灵感，进行了更深层次的优化工作。

虽然，本年的大创项目已经结束，但是我们仍未停止优化工作。接下来，我们将扩大我们的单元库，引入更多结构类型的单元结构，载入更多频率点的扫描数据，同时借助相关算法，进行更高效更准确的相位匹配，降低相位误差，提高天线的整体性能。