Physical Design and Experimental Verification of a Huygens' Metasurface Two-lens System for Phased-array Scan-angle Enhancement
在过去的几十年里，许多天线罩的设计，以扩大相控阵天线的角扫描范围已经设计出利用介电材料和超材料。最近，诸如平面透镜和光束偏转器的超表面技术已经应用于相控阵列，使得扫描角增强器能够具有低轮廓。在这项工作中，一个物理惠更斯超颖表面（HMS）双透镜系统的扫描角倍的相控阵列。对于HMS单元，部署线环拓扑以实现所需相位角偏移的高传输。通过全波仿真和实验对所提出的双透镜系统进行了分析。仿真结果表明，当入射角小于15°时，扫描角可增加一倍，满足设计要求。此外，折射光束的方向性退化的双HMS透镜是符合理论。最后，在10 GHz下，实验验证了具有两个15 λ长× 15λ宽的超颖表面透镜和16{ \times }16单元贴片天线阵列作为源的双透镜系统。实验结果与模拟结果吻合较好，在{ \pm }2°扫描误差下，显示出倍角性能。
2022-11-02 physics.app-ph physics.optics
Nonreciprocal Phased-Array Antennas
相控阵天线是一种产生辐射图案的设备，其形状和方向可以通过调整馈送阵列的每个元件的信号的幅度和相位来电子控制。由于时间反演对称性的约束，这些器件在发送和接收时提供相同的响应。在这里，我们介绍了非互易相控阵天线的概念，我们证明，他们可以表现出截然不同的辐射模式时，在传输或接收。阵列的构建块由时间调制谐振天线元件组成，该时间调制谐振天线元件仅在两个频率之间提供非常有效的频率转换：一个与自由空间中传播的波相关联，另一个与引导信号相关。用低频调制信号的相位控制这些元件的可调谐非互易相位响应允许独立地定制整个阵列的发射和接收辐射图案。微波测量结果证实，在所需的空间方向上的隔离水平超过40 dB，总损耗低于4 dB。我们相信，这一概念可以扩展到整个电磁频谱提供足够的调谐元件，在通信，传感和雷达系统，以及在热管理和能量收集的重要影响。
2019-11-05 eess.SP physics.app-ph
Aa Unbalanced Feed Design for Wideband Phased Arrays
在这项工作中，一个平面相控阵天线设计的超宽带（UWB）的性能，覆盖部分的L-，S-和C-波段。单位单元设计包含直接连接到单个同轴馈电的驱动层和位于驱动层上方的由自由空间分隔的寄生层。这种设计不需要平衡-不平衡转换器或天线接地层和驱动层之间的任何通孔，从而导致除了馈电结构之外仅由平面层组成的简单天线堆叠。因此，降低了复杂性和对机械公差的潜在敏感性。对这种非平衡相控阵天线的仿真结果进行了讨论，并进行了实验验证。
2017-06-14 physics.app-ph physics.class-ph
Diffraction limited centimeter scale radiator: metasurface grating antenna for phased array LiDAR
在本文中，我们展示了一个辐射强度啁啾的超表面厘米长的光栅天线，其波束质量接近衍射极限，其足迹与90%的效率。而不是啁啾占空比调谐辐射强度，这需要不可缩放的制造分辨率，我们设计了一个二维鱼骨形表面光栅，它的宽度与鱼骨的宽度成正比，在硅波导的顶部用氮化硅制作了一个Meta表面，以实现对模式的弱扰动。此外，实施蒙特卡罗马尔可夫链（MCMC）算法来设计辐射强度分布，在效率、光束质量和制造挑战之间进行优化权衡。金属反射镜被设计成沉积在包层的顶部，用于单向倒置辐射和均匀的横向增益。对于1cm的光栅，我们的设计是为0.01度的光束与37000一维方向增益和90%的效率，与200 nm的特征尺寸。最后，我们制作了天线，并利用傅立叶成像系统测量了天线的波束质量，得到了0.02度-10dB的波束发散角。据我们所知，这是最先进的芯片天线与CMOS-代工兼容技术。
2018-09-28 physics.app-ph
Realization of a wide steering end-fire facet optical phased array using silicon rich silicon nitride
设计，制造和表征的16单元光学相控阵列（OPA）使用高折射率（n = 3.1）的富硅氮化硅（SRN）的演示。我们提出了一维波束转向与端射面天线在一个宽的转向范围>115°在一个固定的波长为1525 nm。在波塞冬测得的光斑尺寸为0.11°，与理论一致。我们证明了SRN作为芯片级OPA应用的可行材料选择，由于其高热光系数，由于可忽略的双光子吸收（TPA），宽透明窗口，低传播损耗和CMOS兼容性而具有高的光功率处理能力。
2022-09-27 physics.app-ph physics.optics
Beam Steering with Ultracompact and Low-Power Silicon Resonator Phase Shifters
光子集成电路（PIC）相控阵列可以是一种使能技术，用于广泛的应用，包括紧凑的移动平台上的自由空间激光通信。然而，将PIC相控阵列缩放到大量阵列元件受到用于波束转向的各个移相器的大尺寸和高功耗的限制。在本文中，我们展示了硅PIC相控阵波束转向的基础上，热调谐超紧凑微型谐振器移相器的半径为几微米。这些与微加热器集成的谐振器被设计为强耦合到外部波导，从而提供具有小的残余幅度调制的大的且可调节的相移，同时消耗0.4 mW的平均功率。我们还介绍了表征技术的谐振器移相器在相控阵列的校准。有了这种紧凑的移相器和我们的校准技术，我们演示了1x8 PIC相控阵的波束转向。这些谐振腔移相器的小尺寸将使低功率和超大规模的PIC相控阵激光通信系统的长距离。
2019-09-10 physics.app-ph physics.optics
SiN-on-SOI Optical Phased Array LiDAR for Ultra-Wide Field of View and 4D Sensing
本文提出单片集成的准同轴Vernier OPA收发器，利用链式光栅天线实现160°内小于3 dB功率波动，并基于FMCW LiDAR完成高精度3D成像与速度4D传感。
2024-01-09 physics.app-ph physics.optics
Photonic Terahertz Phased Array
本文提出一种基于像素化非线性Pancharatnam-Berry超表面和飞秒激光驱动的光子平台，实现0.8-1.4太赫兹宽带二维相控阵，并通过单/双波束成形、成像和涡旋光束生成验证其有效性。
2024-12-17 physics.app-ph physics.optics
Numerical Investigation of a 3D End-Firing Antenna Array Based on Two-Photon Polymerization on Thin-Film Lithium Niobate for Optical Beam Steering
Faculty of Engineering, Bar-Ilan University（巴伊兰大学工程学院）
研究基于双光子聚合在薄膜铌酸锂上设计三维端射天线阵列用于光束转向，解决传统OPA设计权衡问题。通过提升聚合物天线实现二维光束转向并保持宽带优势，模拟展示高效传输及特定视场与波束宽度，为3D光子相控阵奠定基础。
2026-07-21 physics.app-ph physics.optics
Electrically driven reprogrammable vanadium dioxide metasurface using binary control for broadband beam-steering
共振光学相控阵是一种很有前途的方式，以达到完全可重构的超表面在光学和近红外制度，低能耗，低足迹和高可靠性。连续可调谐谐振结构具有固有的缺点，例如低相位范围、幅度-相位相关性或极端灵敏度，这使得在单个元件水平上的精确控制非常具有挑战性。为了绕过这些问题，我们使用1位（二进制）控制波束转向的创新纳米谐振器天线，并探讨这种相控阵列的理论能力。提出了一种基于二氧化钒夹在金属-绝缘体-金属结构中的热现实结构，并使用逆向设计进行了优化，以提高其在1550 nm处的性能。利用二元控制成功地实现了90°范围内的连续波束转向，与基于相控阵理论第一原理描述的预测非常一致。此外，实现了从1500 nm到1700 nm的宽带响应。还证明了设计制造缺陷的鲁棒性。这种简化的方法可以被实现以基于用于各种功能的其他材料或相移机制来优化可调谐纳米光子相控阵超颖表面。
2022-06-13 physics.app-ph physics.optics
Wideband Low-Scattering Dual-Polarized Phased Array with Stepped Ground
University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学）
本文提出一种基于双侧阶梯接地和垂直电耦合偶极子的宽频带双极化相控阵，实现X波段辐射与3.6-30 GHz超宽带散射缩减，平均缩减超19.4/18.9 dB。
2025-10-17 physics.app-ph physics.optics
Photonic RF and microwave reconfigurable filters and true time delays based on an integrated optical Kerr frequency comb source
我们展示了先进的横向射频（RF）和微波功能的基础上产生的集成微环谐振器的克尔光梳源。我们实现了极高的性能，光学真时间延迟，旨在可调相控阵天线的应用，以及可重构的微波光子滤波器。我们的结果与理论相符。我们表明，我们的真实时间延迟将产生一个相控阵天线的功能，包括高角分辨率和宽范围的波束转向角，而微波光子滤波器具有高Q值因子，宽带可调谐性，和高度可重构的滤波形状。这些结果表明，我们的方法是一个有竞争力的解决方案，实现可重构，高性能和潜在的低成本的射频和微波
2018-01-31 physics.app-ph physics.optics
A Study Of a Wide-Angle Scanning Phased Array Based On a High-Impedance Surface Ground Plane
本文提出了一种具有蘑菇状高阻抗表面（HIS）接地层的二维无限偶极子阵列系统，该接地层具有E面宽角扫描能力。建议的天线阵列的单元由一个偶极天线和一个四乘四的HIS地面。仿真结果表明，该天线阵列在E面内具有良好的阻抗匹配和较小的$S11$，可实现高达65 $^{\circ}$的宽扫描角。采用Floquet模态分析法对有源阻抗和反射系数进行了分析。理论计算结果与仿真结果吻合较好。通过数值和理论分析，我们揭示了这种优异的宽扫描特性的机制。在小扫描角范围内，这些优良的性能主要是由于HIS地面特殊的反射相位，使得实际阵列单元间的互耦可以通过实际阵列与反射镜阵列之间的互耦效应得到补偿。在大扫描角范围内，由于阵列的高阶Floquet模$\textrm{TM}_{-1,0}$可以共振激发表面波（SW）模，并且阵列的散射可以将SW模转换为漏波（LW）模，因此LW模的辐射场与阵列的直接辐射场几乎同相。因此，借助HIS特殊的反射相位和设计的HIS地的LW模式，具有HIS地的天线阵列可以实现宽角扫描性能。
2019-01-15 physics.app-ph
Design of Compact and Efficient Silicon Photonic Micro Antennas with Perfectly Vertical Emission
紧凑高效的光学天线是许多应用的基础组件，包括高密度光纤芯片耦合和光学相控阵。在这里，我们提出了基于光栅的微天线的设计与完美的垂直发射在300纳米绝缘体上硅平台。我们利用结合伴随优化和机器学习降维的方法来有效地映射天线的多参数设计空间，分析大量相关的性能指标，进行所需的多目标优化，并发现高性能设计。采用一步切趾光栅，在3.6 μ m长的天线上实现了近92%的垂直向上衍射效率。当与超高数值孔径光纤耦合时，天线的耦合效率超过81%（-0.9 dB），1 dB带宽接近158 nm。由完全垂直天线产生的反射在以λ = 1550 nm为中心的200 nm带宽上小于-20 dB。
2020-08-07 physics.app-ph physics.optics
Multiplexing signals with twisted photons by a circular arc phased array
本文提出利用圆形弧相控阵接收扭曲光子实现信号复用，理论分析了通道数与圆弧角度的关系，并给出病态问题缓解方法及条件数估计。
2023-07-04 physics.app-ph
High sensitivity and large scanning range optical antennas enabled by multi-casting ridge-waveguide subwavelength structure arrays
针对光学相控阵天线纵向大视场扫描的难题，提出基于脊形波导亚波长结构的后向发射天线，实现高灵敏度光束调控，并通过多组边带周期设计达成42.6°的大扫描范围。
2024-03-15 physics.app-ph physics.optics
Near-Field Angular Scan Enhancement of Antenna Arrays Using Metasurfaces
在本出版物中，我们继续我们以前的工作扩展相控阵列的角度扫描范围，使用元表面。我们详细考虑扫描增强使用一个单一的超颖表面透镜在近场的源，并提供源激发，以获得所需的光束的解析表达式。我们表明，这样的设备遭受相同的方向性退化的情况下，远场透镜的位置。此外，我们详细讨论了这种方法的局限性，不能把镜头任意接近源阵列。然后，我们提出了一个双透镜近场扫描增强器，这是不受相同的限制，但仍然受到相同的方向性退化。最后，我们提出了一个二元元表面的概念，理论上实现了所需的扫描增强没有方向性退化。一些理论主张，然后通过全场模拟验证。
2020-12-16 physics.app-ph physics.optics
A Novel, Beam-based Formalism for Active Impedance of Phased Arrays
Sichuan Jiuqiang Communications Technology Co., Ltd.（四川九强通信技术有限公司）
本文提出一种基于波束的新型相控阵主动阻抗计算方法，通过辐射波束模式直接推导出主动阻抗，提供更直观的物理解释，验证了理论推导并简化了设计流程。
2026-04-09 astro-ph.IM eess.SP physics.app-ph
Design, Modeling, and Validation of Curvature-Based Shape-Aware Flexible Phased Arrays
Ben-Gurion University, School of Electrical and Computer Engineering（本-古里安大学电气与计算机工程学院）
研究变形的机械柔性相控阵形状感知，通过分析传感器密度、验证物理模型，设计并验证了6GHz八元阵列，能在低曲率半径下恢复波束转向性能，平均重建精度约6%，且该方法不受射频条件限制，无需反馈。
2026-10-30 physics.app-ph
Grating Lobe Suppression in Metasurface Antenna Arrays with a Waveguide Feed Layer
通过平铺多个超表面子孔径形成的超表面天线阵列提供了雷达和通信中经常使用的电大波束控制阵列的替代架构。通过使用无源可调谐辐射元件来实现由超表面提供的优点。虽然这些超材料元件没有表现出可以用移相器获得的全范围的相位调谐，但是它们可以被设计成以低得多的功率要求和电路复杂性提供类似水平的性能。然而，由于有限的相位和幅度控制，较大的超颖表面孔径可能易受强栅瓣的影响，这是由伴随理想相位图案的不期望的周期性幅度响应引起的。在这项工作中，我们结合天线理论与分析建模的超材料元素，数学上揭示了这种栅瓣的来源。为了避免这个问题，我们引入了一个补偿波导馈电层，旨在抑制栅瓣超颖表面天线。波导馈电层帮助超表面天线从改进的硬件平台接近相控阵列的性能，平衡超表面天线以影响各种波束成形应用。
2019-05-23 physics.app-ph
Quadratic-Gradient Metasurface-Dome for Wide-Angle Beam Steering Phased Array with Reduced Gain-Loss at Broadside
针对相控阵超表面罩侧射增益降低和实现复杂的问题，提出通过离散化相位分布并考虑不同入射角设计级联超表面罩，以降低插入损耗并提升转向能力。
2022-12-20 physics.app-ph
