王愉心在共形透明通信天线阵技术领域的研究成果
近日，团队博士生王愉心在透明共形天线设计中取得最新研究进展，相关成果以“Dual-Polarized Conformal Transparent Antenna Array with Hemispherical Beam Coverage”为题，在电磁辐射与散射领域权威期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters发表，针对半球面波束覆盖和光学透明天线的需求，对透明导电材料的应用进行研究，使用平面加工后共形的方式，设计了一种新型的光学透明的半球面波束覆盖共形天线阵列。
透明天线在保证天线正常辐射工作的前提下，在背向可以加装如光学探头或太阳能板的光学器件，这可以更加有效地利用辐射口径。然而受加工工艺限制，透明导电材料无法在曲面结构上实现特定形状，这严重限制了透明导电薄膜在共形天线方面的应用。近年来国内外学者们对透明天线的研究中主要集中在如何改善导电材料以平衡天线的效率和透明度，使用的天线结构以玻璃介质上平面贴片单天线为主。然而，这种简单结构的天线因为性能上的局限性并不适应当下各种应用场景的天线需求。在此背景下，王愉心博士对透明天线做了进一步的研究工作，不再把研究重点放在天线地透明度，而是将透明导电材料拓展到共形天线领域，研究透明天线的在结构上的创新以便更广泛地适用于不同的应用场景。
图1 天线阵列与单元模型
图2 阵列的辐射方向图
受辐射口径影响，传统平面天线很难实现半球面的波束覆盖效果。为了实现半球面的波束覆盖，通常使用的方法是将阵列天线的单元通过支架固定在不同方向以改善水平方向的辐射效果，但无论是金属支架还是3D打印树脂支架都无法使用透明材料制作。同时，以玻璃作为介质基板的透明贴片天线在支架固定上存在一定难度，也无法免除馈电接口对阵列天线透明性的影响。
在本工作中，首先把透明导电层加工于柔性PET薄膜上，成为柔性的透明辐射单元。为了避免支架对天线透明度带来的影响，使用了球壳状的透明亚克力作为柔性单元的支架，并把单元贴在亚克力球壳内壁。因为球面无法直接展开为平面，所以单元被设计为细长形状，这不仅可以保证从球壳底部馈电避免转接头影响阵列的内部透明度，还可以减小平面薄膜贴在球面上导致的误差。在设计阶段，使用球面三角理论计算得到单元的不同结构在球面上的位置，进而优化单元参数得到更好的阵列辐射性能，还可以用此方法计算平面薄膜贴在球面上的误差。
最后，为了天线拥有更好地辐射性能，在球壳上安装了两组子阵来实现双极化辐射。使用欧拉旋转理论和球面三角理论，可以计算得到在不同方向下任意两单元的主极化夹角。
图3 天线样机图
文中的工作探索了透明导电材料的在共形天线领域的应用，并提供了一种可实现半球面波束覆盖的透明共形天线设计方案，为透明天线的应用提供了新颖的设计方式。
具体设计细节可从IEEE文献数据库下载：https://ieeexplore.ieee.org/document/10168988
屈世伟教授小组
2023年7月3日