受折纸启发的相控阵如何重塑天线的未来
嘿，我是 维克拉姆 👋！
整整一个月的文章都在努力推动射频功率放大器类别的发展。不确定你是否已经受够了，但我写功率放大器的能力已经有点饱和了（所有双关语都是有意的；我很抱歉🫠）如果你喜欢这个系列，或者想要更多关于功率放大器的文章，请回复请发送此电子邮件并告诉我。
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这篇文章对于电子邮件来说太长了。请在网站上阅读。
封面图片折纸来源： Rishi Iyer
为了让事情变得新鲜一些，我决定查找 2024 年国际微波研讨会的最新研究，这是射频和微波工程领域的顶级会议。我发现了一个非常有趣的想法，以至于我觉得有必要把它写下来。
事实证明，有一类新型射频电路从日本折纸艺术（日本 第一 折纸艺术）中汲取灵感。就像你可以用纸制作不同的形状一样，你可以在物理上重新配置电路以实现不同的操作。
Hani Al Jamal 佐治亚理工学院的博士生 和由 Manos Tentzeris 教授领导的研究团队撰写了一篇题为“超越平面：增材制造、受折纸启发的形状改变和基于 RFIC 的近场相控阵”的 论文。 5G/毫米波应用中的无限辐射模式可重构性 ，荣获 最佳论文奖。 2024年国际微波研讨会
本文介绍了 一种相控阵天线，您可以通过它合成任何辐射方向图 。它使用电子和物理修改来实现这一目标。
特别感谢 Hani 提供更多信息、图片并审阅本文草稿。
在这篇文章中，我们将详细介绍其工作原理。
- 对自适应射频电路的需求
- 蛋盒相控阵
- 互连系统
- 实际应用
阅读时间 ：9 分钟
对自适应射频电路的需求
固定射频系统并不适合不断变化的射频环境。如果 RF 模块能够感知环境并进行调整以提供最佳的整体系统性能，那就更好了。以前，可重构性意味着天线等组件安装在大型伺服系统上，并移动以指向信号源。事实上，射电天文学家继续 建造大型抛物面天线 在火车轨道上 ，并移动它们以进行各种 配置 ，以便接收来自太空的微弱信号。对于现代应用程序来说，这通常太慢了。
控制天线来实现相同的结果 工程师们很快意识到，他们可以通过使用相控阵 。他们可以通过调整单独天线之间的相移来实现相同的结果，而不是移动天线。阵列天线之间的相长和相消干涉有助于控制辐射波束，而无需物理移动它。因为一切都是电子的，所以操纵天线只需几微秒。
如果您需要天线和相控阵的介绍，请查看我之前的帖子。
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如果我们可以将物理改变和电子波束控制结合起来怎么办？这是可折叠相控阵的绝佳用途，因为它允许缓慢的、类似折纸的物理变换，然后通过电子波束控制快速改变方向。我们可以创建我们想要的任何天线方向图，然后引导波束吗？
蛋盒相控阵
的设计 佐治亚理工学院研究论文中的相控阵天线的灵感来自纸质蛋盒 。它只是一个倒置的方底金字塔网格，有一个开放的底座用于放置鸡蛋。这项研究描述了如何利用其中一个开放式金字塔作为更大的可重构阵列的基础。当只看其中一个时，晶胞就像一个 折纸算命师 ，我的孩子们经常制作它。
蛋盒/算命先生相控阵中使用的单元的构建。资料来源：Hani Al Jamal，佐治亚理工学院。
该蛋盒单元/算命器的所有四个面上均安装了 4 元件相控阵天线，并通过 Qorvo AWMF-0108 28 GHz 波束形成器 RFIC 以 11.25° 增量控制波束。
该单位单元就像折纸设计一样，可以沿任一轴折叠或平放，从而允许您物理地改变辐射方向。由于每个面上的相控阵天线都可以进一步引导波束，因此该天线可以通过物理折叠和电子波束控制的组合来生成几乎任何辐射方向图。
以下是塑造该天线辐射波束的一些方法。
- 360° 方位角覆盖 ：在其金字塔形排列中，仅激活一个相控阵并将波束引导至其最大值，然后再切换到下一个面上的相控阵。这确保了面上多个相控阵之间的连续切换，同时还提供 360° 方位波束控制。
- 沿轴弯曲 ：沿任意一根轴折叠阵列，随着折叠角度的减小，辐射方向图从四光束配置变为两光束配置，如图所示。
- 任意形状的波束 ：将阵列沿任一轴折叠任意角度，打开从单个相控阵到所有四个相控阵的任何位置，对相控阵应用数字权重以控制天线元件的幅度和相位（甚至 增益逐渐减小 到控制光栅瓣），并且您可以虚拟地合成您正在寻找的任何辐射图。
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互连系统
当您看到运行在 28 GHz 的可折叠电路时，您首先想到的是可折叠互连的射频性能和重复折叠时的稳定性。任何在实验室工作过的相当熟练的射频工程师都知道射频电缆不应该弯曲。然而，这正是基于折纸的设计所需要的。
为了解决这个问题，作者设计了一种采用 拱形铰链互连件 的新颖方法，该互连件是利用 3D 打印技术和 flexile80A （一种柔性光聚合物树脂）制造的。 上的 50Ω 传输线 该连接器是喷墨打印在Rogers RO3003 基板 ，并与 3D 打印的支撑结构配对。结果是稳定的铰链设计，在 180° 折叠范围内保持低损耗，并且在折叠 300 次以内也不会出现退化。
可折叠拱形铰链互连。资料来源：IEEE [1]
为蛋盒单元构建互连时的另一个困难是馈电点只能位于 3D 结构的一个面上。这意味着互连系统不会对称地向结构的四个相控阵供电 2 。为了补偿总电气长度的差异，下图中以 βl 调整的形式包含了额外的传输线部分。
蛋盒单元格的详细设计。资料来源：IEEE [1]
实际应用
蛋盒单元可以级联以构建更大的阵列，该阵列可以沿任一轴进行空间改变，这就是该设计如此吸引人的原因。模块化设计方法还具有其他优点：
- 如果单个单元发生故障，可以轻松更换。
- 蛋盒阵列的选择性面可以被激活，以根据功率使用和发射/接收操作模式生成各种辐射模式。
- 增材 3D 打印工艺产生的废物更少。
- 用蛋盒单元构建更大的阵列。资料来源：Hani Al Jamal，佐治亚理工学院。
让我们看看可以有效使用这种相控阵的一些方法：
- 全双工操作 ：如果我们想使用同一天线阵列同时发射和接收，模块化设计允许激活一个面上的所有相控阵进行发射，并使用另一面进行接收。电子控制光束的能力使它们能够在必要时跟踪目标。
- 多光束操作 ：通过使用不同的折叠角度，我们已经看到如何从阵列合成两个或四个光束。例如，在自动驾驶汽车中，每个光束都可以分配一个特定的用途，例如通信、导航或避障。
- 可调节波束宽度 ：由于折叠角度决定了波束的宽度，因此展开阵列以产生大波束宽度有助于飞机搜索操作，而折叠阵列则产生小波束，有助于集中救援任务。
- 空间受限系统 等紧凑型低成本航天器的日益普及，在发射期间折叠天线阵列然后在轨道上部署的能力特别有用 ：鉴于立方体卫星 。重塑天线阵列并在太空中引导波束将有助于构建卫星网状网络，从而增强世界各地的连通性。
这种受折纸启发的天线的实现只有两个自由度，但它为未来的发展奠定了基础，其中包括更多的可重构自由度。
自由调节辐射束的能力对于无线通信的未来至关重要，无论是 5G、6G、汽车雷达、太空还是军事应用。
如果您喜欢这些论文评论文章，请回复这封电子邮件并让我知道，以便我可以写更多内容。如果您发现任何有趣的文章，其中包含绝妙的想法或新颖的实现，请将它们发送给我，我将在未来的时事通讯帖子中解决它们。
参考
[1] HA Jamal、C. Hu、N. Wille、K. Zeng 和 MM Tentzeris，“超越平面：增材制造、受折纸启发的变形和基于 RFIC 的相控阵，可实现近乎无限的辐射方向图可重构性” 5G/毫米波应用”，载于 IEEE 微波和无线技术快报，卷。 34、没有。 6，第 841-844 页，2024 年 6 月，doi：10.1109/LMWT.2024.3396026。
关于作者
Hani Al Jamal 于 2022 年获得贝鲁特美国大学电气和计算机工程学士学位（优异成绩），并辅修应用数学。他目前正在攻读博士学位。他在佐治亚理工学院获得电气和计算机工程博士学位，在那里他参与利用增材制造技术来设计高度集成、保形和变形的射频前端电路、天线和高达毫米波频率的封装。
Al Jamal 渴望设计和制造从折纸和艺术中汲取灵感的通信设备和射频电子设备，从而增强功能和物理灵活性，从而与以人为本的设备无缝集成，从而为数字意识提供更高效、更集成的通信网络。