U型槽椭圆形相位梯度超表面天线设计及其在5G无线通信中的高性能应用

为解决5G网络高数据速率、低延迟和高效频谱利用的需求，研究人员开展了一项关于U型槽椭圆形相位梯度超表面(PGM)集成天线的创新研究。该设计采用RT/Duroid 5880基底(εr=2.2)，通过7×7单元阵列的PGM结构，将天线反射系数从-27.5 dB提升至-70.14 dB，带宽扩展至4.5 GHz，增益提高至12 dB。这项发表于《Results in Engineering》的成果为毫米波5G通信设备提供了高性能解决方案。

　　

随着5G网络的全球部署，毫米波频段(24.25-29.5 GHz)成为实现高速数据传输的关键。然而，传统天线在毫米波频段面临增益不足、带宽受限和阻抗失配等挑战。相位梯度超表面(PGM)作为一种新型人工电磁材料，通过亚波长结构调控电磁波相位，为解决这些问题提供了新思路。但现有PGM设计存在结构复杂、带宽窄以及与天线集成困难等技术瓶颈。

针对这些挑战，研究人员开发了一种创新的U型槽椭圆形PGM集成天线。该设计采用RT/Duroid 5880基底(介电常数ε_r=2.2，损耗角正切tan δ=0.009)，通过7×7(共49个)椭圆形单元阵列构成42 mm×42 mm的PGM结构。研究团队运用CST Microwave Studio软件进行电磁仿真，通过矢量网络分析仪(VNA)在微波暗室中测试天线性能，并采用方差分析(ANOVA)验证设计参数的影响。

4. Proposed Antenna and PGM Design
天线主体尺寸为30 mm×30 mm×1.6 mm，PGM单元采用FR4基底(ε_r=4.4)。关键创新在于U型槽椭圆形单元设计(长4.4 mm，宽2 mm)，通过优化单元间距(7-11 mm可调)实现宽带匹配。

5. Results and Discussion
测试结果显示：未加载PGM时，天线在27.3 GHz处反射系数(S₁₁)为-27.5 dB，带宽1.74 GHz；加载PGM后，谐振频率移至27.91 GHz，S₁₁显著改善至-70.14 dB，带宽扩展至4.5 GHz(覆盖25-29.5 GHz)。增益从7.5 dB提升至12 dB，辐射效率提高约60%。表面电流分布显示PGM有效改善了电流均匀性(49.5 A/m)。

6. Conclusion
该研究成功实现了三项突破：(1)通过U型槽椭圆形单元设计，在毫米波频段实现4.5 GHz超宽带宽；(2)创新性地采用PGM作为天线超表面，将增益提升60%；(3)解决了PGM与天线集成时的阻抗失配难题。这些成果为5G基站和终端设备的小型化、高性能化提供了重要技术路径，特别适用于n257/n258/n261等5G频段。研究同时指出，未来工作需进一步优化PGM单元排布算法，以应对6G通信更高频段的挑战。