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最新论文——增益增强型可重构辐射阵列
From: Date: 2022-07-25 在现代无线通信系统中，天线需要根据不断变化的应用场景在尺寸上进行重构。然而，具有恒定相位分布的传统天线阵列无法在不同重构尺寸下都实现高增益。针对这一问题，天津大学机械工程学院陈焱教授团队与天津大学微电子学院马凯学教授团队通过交叉学科的合作，设计了一种单自由度机械可重构框架系统，实现了天线阵列尺寸和单元间相位分布的同步重构，最终基于小型化定向单元和机械可重构系统开发了一种增益增强型可重构辐射阵列（RRA）。 首先，通过建立理论模型分析了四角单元与中心单元在不同距离与相位分布下的辐射方向图，并通过平衡波束宽度和旁瓣，在紧凑与展开状态下都实现了高增益（图1）。 图1 RRA理论分析: (a)紧凑状态; (b)展开状态 为了实现天线阵列尺寸和单元间相位分布的同步调控，本文基于平面机构网格的几何与运动协调原理，构建了如图2所示的单自由度机械可重构框架系统。在阵列尺寸加倍或减半的同时，实现了中心单元与四角单元之间180°相位同步切换(视频1)。 图2 单自由度机械可重构框架
视频1
其次，通过机械框架系统的创新设计，基于13个电磁元件构建了拓展的2×2 RRA（图3），保证了大阵列的同步调控过程仍为单自由度且不存在物理干涉(视频2)。
图3 拓展的2×2 RRA
视频2
将小型化电磁单元固接在3D打印的机械框架上，图4展示了RRA及其拓展阵列的实物模型与测量结果。单个RRA在紧凑状态与展开状态下测量的增益分别为11.66 dBi和12.25 dBi，2×2 RRA在紧凑状态与展开状态下测量的增益分别为14.62 dBi和16.34 dBi，仿真结果与测量结果吻合良好。并且，与单个RRA相比，2×2阵列在两种状态下的增益均明显提高。
图4 实物模型与测量结果: (a)紧凑状态下的RRA; (b)展开状态下的RRA; (c)紧凑状态下的2×2 RRA阵列;(d)展开状态下的2×2 RRA阵列 该成果已于2022年6月30日在线发表于中国工程院子刊Frontiers of Mechanical Engineering。该研究所提出的单自由度增益增强型RRA及其拓展阵列可在其他频率区域(如太赫兹及准光频段)实现更高的增益，为可重构通信系统的设计提供了新途径。
Sadiq A#, Gu Y#, Luo Y, Chen Y*, Ma K*. A gain-enhanced reconfigurable radiation array with mechanically driven system and directive elements. Frontiers of Mechanical Engineering, 2022, 17(4): 60.
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