基于超表面集成的紧凑型频率可重构缝隙贴片天线及其增益增强技术研究

本研究针对无线通信系统中多频段动态调谐需求，提出一种集成超表面反射器(MSR)的频率可重构缝隙天线(FRSA)。通过7个理想开关(w1-w7)实现9种工作模式(3.05-5.24 GHz)，结合2×2超表面阵列使增益提升2.49 dB至6.09 dB，尺寸仅0.38λ0×0.31λ0，为S/C波段及认知无线电提供了紧凑高效的解决方案。

　　

随着5G和认知无线电技术的快速发展，现代无线通信系统对天线的多频段兼容性和动态重构能力提出了更高要求。传统机械式可调天线存在体积大、响应慢的缺陷，而基于半导体器件的电调谐方案又面临增益损失和方向图畸变等挑战。在此背景下，Northern Technical University（伊拉克）联合Universiti Teknikal Malaysia Melaka的研究团队在《Optik》发表创新成果，通过超表面(Metasurface, MS)与可重构天线的协同设计，实现了"鱼与熊掌兼得"的性能突破。

研究团队采用"三步走"技术路线：首先设计含7个理想开关的缝隙贴片天线(FRSA)，通过开关组合产生3.05-5.24 GHz内9个离散频段；其次构建2×2超表面反射器(MSR)阵列，单元尺寸18.25 mm×15.025 mm，在3.30-5.96 GHz形成S₂₁<-10 dB的阻带；最后优化FRSA与MSR间距至20 mm(0.204λ₀)，利用多次反射效应增强辐射效率。

FRSA设计方法
采用FR4基板(ε_r=4.5)制作37 mm×30.55 mm天线，地平面开纵向主槽和8个垂直偏置槽。7个开关(w1-w7)沿主槽分布，通过二进制组合实现3.05 GHz、3.38 GHz等9个中心频点，频率覆盖误差<3%。

MSR优化过程
超表面单元采用十字形谐振结构，相位线性度达±15°。仿真显示MSR使天线前后比提升8.7 dB，将3.05 GHz频点增益从3.14 dB提升至5.63 dB，4.7 GHz频点方向图半功率波束宽度收窄22%。

实测验证
原型测试表明：MSR使整体效率从68%提升至82%，在4.34 GHz处获得峰值增益6.09 dB。间距参数Y的敏感性分析揭示20 mm为最优值，此时表面波抑制效果最佳。

该研究的重要意义在于：首次实现超表面与多开关可重构天线的尺寸匹配集成，突破传统可重构天线"增益-带宽"权衡限制。提出的MSR设计方法可推广至太赫兹频段，为6G智能超表面(IRS)提供技术储备。文末作者指出，未来可用PIN二极管替代理想开关以降低功耗，并通过3D打印技术进一步压缩MSR厚度。