支持多种V2X通信链路的新型宽带反射阵列天线

《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》：Novel Wideband Reflectarray Antenna Supporting Multiple V2X Links

针对V2X通信需求设计了一种新型圆极化宽带高增益反射阵列天线（WHG-RA），覆盖12-32 GHz频段并兼容多类V2X频段（如V2S、V2V、V2N等5G毫米波频谱），采用几何相位理论与多谐振单元设计实现30.3 dBi高增益、

　　

摘要：

本文设计了一种新型的圆极化（CP）宽带高增益反射阵列天线（WHG-RA），以满足未来车对一切（V2X）通信链路的需求。该天线具有12 GHz至32 GHz的增益带宽，覆盖了关键的V2X频段，包括车对卫星（V2S）的Ku/Ka下行和上行频率（12.25 GHz至12.75 GHz、14.0 GHz至14.5 GHz、19.6 GHz至21.2 GHz以及29.4 GHz至31.0 GHz）、用于车对车（V2V）短距离雷达的24.25 GHz至26.65 GHz频段，以及所有5G毫米波频段（如n258（24.25 GHz至27.5 GHz）和n257（26.5 GHz至29.5 GHz），这些频段适用于车对5G网络（V2N）的通信。WHG-RA中的宽带单元设计基于几何相位理论的旋转技术，并具有多个共振模式。作为概念验证，我们设计并制造了一个尺寸为180 mm × 180 mm的平面WHG-RA，该天线由900个单元组成，并在12 GHz至32 GHz的频率范围内进行了严格测试。仿真和测量结果均证明了该天线的优异性能：辐射模式稳定、峰值孔径效率高达41.1%、增益达到30.3 dBi，且在12 GHz至32 GHz范围内副瓣电平均低于?17.2 dB，同时实现了3 dB和4 dB的增益带宽，分别提高了51%和91%。

引言

车对一切（V2X）通信作为一种先进的通信技术，有助于提升道路安全性和整体驾驶体验[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。V2X涵盖多种通信方式，包括车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对行人（V2P）、车对卫星（V2S）以及车对网络（V2N）等[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]（如图1所示）。高增益和宽带宽是实现可靠V2X无线通信的关键天线特性。反射阵列（RA）天线因其高增益、低成本以及能够生成单束或多束信号等优点，被认为是V2X技术的理想选择[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，现有文献中的RA设计在增益带宽和宽频率范围内的辐射模式稳定性方面存在局限性。这种窄带现象的原因在于构成RA的辐射元件（单元，也称为元原子）通常被设计为在单一频率或窄频带内共振[18]、[19]。正如[20]中所指出的，小型和中等尺寸RA的带宽限制主要源于单元本身的窄带特性。因此，文献中提出了多种改进单元带宽和反射特性的方法，例如共面平行偶极子[21]、真时延线[22]以及多层环形贴片[23]、[24]。尽管现有文献中有多种有前景的RA设计，但没有一种设计能够同时满足所有需求[25]、[26]、[27]。如果能够设计出一种宽带RA，使其能够使用相同的孔径实现多种V2X通信方式，将显著降低未来车载通信系统的复杂性、成本和重量。