《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：From radiation pattern straight to antenna geometry
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设计新天线通过电动力学反问题的间接求解方法，基于球面多极分解和基天线组合调整远场分布，适用于5G Advanced/6G系统及现有无线通信集成。
弗拉基米尔·D·布尔采夫 | 塔蒂亚娜·S·沃舍娃 | 安德烈·A·扎列宁 | 德米特里·S·菲洛诺夫
俄罗斯莫斯科州多尔戈普鲁德尼市莫斯科物理技术学院，邮编141700
摘要
在这项工作中，我们提出了一种通过间接求解电动力学逆问题来设计具有预定辐射模式的新天线的多功能方法。该算法基于给定辐射模式的球形多极分解及其与其他简单天线的关联性和分解。所提出的技术能够灵活调整所需的远场分布，而无需直接关注通信信道的极化要求或参与任务的物体的空间分布等参数。除了详细说明从辐射模式重建天线几何结构的算法外，我们还提供了几个使用该算法的示例。使用这种方法获得的发射器拓扑结构既可用于新型的5G Advanced和6G通信系统，也可集成到现有的无线通信和功率传输线路中。
引言
随着电信网络在更高频率下运行，对更具方向性的天线以及能够实时控制辐射方向的天线的需求日益增加。否则，材料损耗、衍射损耗和波束发散会使高频应用变得不切实际：信噪比会下降，有效数据带宽会缩小，从而需要使用BPSK而不是更先进的方案（如16-PSK等）[1]、[2]。
主动相控阵天线作为一种利用电大孔径的有前景的通信解决方案，因此受到了广泛关注[3]、[4]。我们可以通过为各个天线元件提供适当的信号幅度和相位来控制其内部的场分布。尽管相控阵具有广泛的扫描角度[5]、高定向性[6]、极化控制[7]、[8]、[9]以及多波束扫描[9]、[10]等优点，但在当前的发展阶段，它们仍面临一些关键限制，例如在卫星通信系统[11]、雷达构建任务[12]、[13]、[14]和遥感[12]等领域。这主要是由于微电子控制元件（特别是波束成形核心芯片）的成本高昂。此外，印刷电路板（PCB）中的介质基板损耗会限制等效各向同性辐射功率（EIRP）的水平——这对于传输系统至关重要——除非添加昂贵的低噪声放大器（LNA）。在接收系统中，情况则相反，当信道带宽要求（例如500 MBit/s）对天线的噪声质量提出不切实际的要求时，就需要使用昂贵的高质量LNA。
在某些行业[16]、[17]中，全金属天线的机械扫描系统提供了一种替代方案。由于消除了大部分材料损耗，它们的能效更高。然而，这种方法并不总是方便的。另一方面，近年来，大量的研究工作集中在阻抗表面[18]、[19]、[20]上，这些技术在卫星电信系统[22]、[23]以及医学[12]、[24]、全息术[25]甚至智能家居[26]等领域都得到了应用。然而，由于设计复杂性、应用领域的特殊性以及技术基础尚不成熟（即基于更简单原理的5G系统尚未完全实现[27]、[28]），这些解决方案很少能够直接应用于终端用户。
与此同时，推进5G系统以及开发5G Advanced和6G技术仍然是电信领域的关键优先事项。在这种情况下，天线设计过程的科学方面（如超表面元件或MRI线圈）需要一种新的方法来推动一些以前无法触及的研究领域。在这里，我们依赖于多极分解方法[29]。我们不是通过管理谐振器的集体模式（如相控阵）或阻抗分布（如超表面），而是通过组合已知选项，并调整某些简单元件的幅度和相位特性来设计新的天线，以达到所需的电磁场分布。毫无疑问，类似的计算也可以应用于MRI线圈，在现代研究中，组织中的磁场正是由许多天线组成的解耦天线阵列中的群模式形成的[30]，以及其他许多应用。算法的概要在图1中展示。
在本文的后续部分，我们将详细描述该算法及其使用示例。这一过程与天线阵列的投影和组装有些相似。然而，与复杂的超表面和相控阵设计技术不同，这种方法适用于任何希望为有前景的天线技术发展做出贡献的人。
部分摘录
数据初始化
在任何涉及设计具有选择性辐射模式的天线的具体问题中，都可以将类似的基本要求应用于远场。所谓的选择性，是指我们自己明确定义了模式的自由度。从宏观意义上讲，这些自由度包括能量的空间分布（描述天线在何处以及释放多少能量）、辐射的阶数以及极化（描述能量在空间中的分布方式）
结果与讨论
在这里，我们展示了几个非平凡极化状态的实现示例，因为极化控制在现代电信系统中起着至关重要的作用。
结论
所展示的几何结构仅代表了该算法能够解决的一小部分问题。毫无疑问，计算过程非常复杂，主要是由于需要考虑基础天线、计算它们的欧拉旋转并进行多轮数值积分。然而，对于解决复杂的工程挑战来说，潜在的好处是巨大的。辐射模式的计算精度直接取决于轨道的最大阶数
CRediT作者贡献声明
弗拉基米尔·D·布尔采夫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，研究，形式分析，概念化。塔蒂亚娜·S·沃舍娃：撰写 – 原稿，可视化，研究，形式分析。安德烈·A·扎列宁：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调。德米特里·S·菲洛诺夫：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，方法论，资金获取，数据整理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持，项目编号为24-19-00269。作者感谢埃琳娜·巴扎诺娃博士对手稿的审阅和宝贵建议。
