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香港科大这篇天线论文，把1-bit开关和90°相移器拧成一体

双频共享口径天线最难的不是“塞进去”，而是“塞进去以后还能各扫各的”。这篇论文把1-bit开关、紧凑90°移相器和双层EBG拧成一套完整方案，实测结果也够硬。

龙哥读论文发布于 2026-08-14 09:11:12 阅读 5 查看原文

#人工智能 #模型架构 #综述

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龙哥推荐理由：
双频共享口径天线最难的不是“塞进去”，而是“塞进去以后还能各扫各的”。这篇论文把1-bit开关、紧凑90°移相器和双层EBG拧成一套完整方案，实测结果也够硬。

原论文信息如下：

论文标题:
A Dual-Band Reconfigurable Shared-Aperture Antenna Array With Independent Sub-6-GHz and Centimeter-Wave Beam Control 发表日期:
2026年07月发表单位:
香港科技大学原文链接:
https://arxiv.org/pdf/2607.11511v1.pdf

双频段天线的新挑战：如何在同一口径内实现独立波束控制？

这篇论文最有意思的地方，不是“做了一个双频天线”，而是把更难的那一半也做了：同一个口径里，两套频段还得各扫各的，互不串台。听起来像是让两个司机共用一辆车，还要分别按自己的导航走，方向盘不能抢，油门不能串，最后还得车身别太厚——这就是基站共享口径天线的真实难点。

图1：双频段可重构共享口径天线的应用场景。子-6 GHz 负责广覆盖，厘米波负责更高容量；两者如果能在同一块天线上独立控波束，基站前端的空间压力会小很多。

论文里提到的两个频段，分别是sub-6-GHz，也就是 6 GHz 以下的频段，和centimeter-wave，厘米波，大致对应 7–24 GHz 的频段。前者覆盖好、穿透强，后者带宽更大、容量更高。问题在于，这两个频段放到一个共享口径里后，不能只是“都能发”，还要“分别能控”，否则就成了一个频段在认真工作，另一个频段在旁边添乱。

传统共享口径方案通常会碰到两个老大难。第一，不同频段的阵列挤在一起以后，互相耦合很重，一个频段的电流和场分布会把另一个频段搅得不太安生。第二，很多双频阵列虽然能共享口径，但波束控制还是靠传统 T/R 模块或者复杂波束形成网络，这就意味着硬件成本、功耗和系统复杂度一起上来，最后工程师看着账单沉默，老板看着尺寸沉默，天线看着自己也沉默。

这篇工作的目标很明确：在同一个平面口径里，把 sub-6-GHz 和厘米波阵列塞进去，并且让两者都能独立重构波束。更关键的是，它不靠传统的大型馈电网络硬扛，而是用一套更紧凑的可重构馈电与相位控制架构去解决问题。说人话就是：不再靠“堆硬件”解决，而是靠“把每一层都设计对”。

创新架构：1-bit开关+紧凑移相器，实现2-bit相位控制

这套方案的核心思路其实很朴素：先给每个辐射单元做1-bit 相位翻转，再加一个紧凑的90° 相移器，把原本只有 2 个相位状态的系统，升级成更细的 4 个相位状态，也就是常说的 2-bit 控制。相位状态一多，波束就更容易调，旁瓣也更容易压，阵列的“手感”就不那么粗糙了。

图2：双频共享口径阵列总体结构。可以看到，sub-6-GHz 的 2×2 微带偶极子阵列和厘米波的 4×4 堆叠贴片阵列被放进了同一口径，四层结构把辐射面、射频馈电和直流偏置分开，整体仍保持低剖面。

图3：逐层布局与共享口径细节。上层负责辐射单元，中间通过开槽地板做耦合，下层放直流偏置网络。这个设计的关键不是“层数多”，而是把互相打架的部分拆开，让它们各干各的。

图4：射频馈电网络与子阵相位控制布局。这里真正的主角是开槽耦合馈电和分裂馈环上的 PIN 二极管开关。通过开关导通路径，单元可以实现 180° 的相位翻转，这就是 1-bit 的来源。

这里的 PIN 二极管可以理解成“高速电子开关”。它不是连续调相，而是在两个离散状态之间切换：一边导通，一边截止，电流路径一变，辐射相位也跟着变。论文中给 sub-6-GHz 和厘米波部分分别选了不同器件，原因很现实：低频更看重损耗控制，高频更看重关断隔离。这不是玄学，是射频工程的基本常识。

但只有 1-bit 还不够。只有两个相位状态，阵列在做波束扫描时就像只会“左转”和“右转”两种动作，动作太粗，容易把主瓣扫歪，也容易把旁瓣抬高。所以论文又加了一个紧凑反射式 90° 相移器，把相位控制从“二选一”变成“四选一”。这个相移器不是随便堆出来的，而是基于紧凑平面正交耦合器，再配合可切换开路/短路负载实现的。简言之，它把原本很占地方的移相功能压缩进了一个更小的电路块里。

图5：紧凑可重构90度相移器原理。反射式结构的好处是体积小，而且在设计得当时，插入损耗可以压得比较低。论文把 sub-6-GHz 和厘米波分别做了两套版本，尺寸、容值和器件都按各自频段优化。

图6：两频段90度相移器具体电路。sub-6-GHz 版本和厘米波版本结构相似，但尺寸更小、参数更紧。这里能看出一个很典型的射频设计哲学：不是一个电路打天下，而是每个频段都得单独“量体裁衣”。

图7：两套相移器的仿真性能。论文给出的结果显示，这两个相移器都能在目标频段内保持较好的匹配和接近 90° 的相位差，且插入损耗不高。也就是说，它不是“能用就行”的凑合版，而是能真正在阵列里派上用场的相位控制模块。

更妙的是，论文并没有把 90° 相移器直接堆到每一个厘米波单元上，那样口径很快就会被电路挤爆。它采取的是“sub-6-GHz 单元级控制 + 厘米波子阵级共享控制”的折中方案。换句话说，sub-6-GHz 追求更细粒度的单元控制，厘米波则在空间受限时让一个 2×2 子阵共享一个 90° 相移器。工程味很浓：不是所有地方都要极致自由度，够用、紧凑、可实现，才是真本事。

关键设计：双层电磁带隙结构如何解决交叉耦合难题？

共享口径最怕的不是“摆不下”，而是“摆下以后互相污染”。这篇论文里，最容易出问题的地方是厘米波阵列的高频场会激发 sub-6-GHz 辐射体上的高阶模式，还会沿基板表面跑出表面波。于是作者加了一层很典型但很有效的结构：双层电磁带隙结构，简称 EBG。EBG 的英文全称是 Electromagnetic Band-Gap，中文叫电磁带隙结构，作用可以粗暴理解为“给表面波设路障”。

图8：无EBG时厘米波子阵的三种代表相位状态及电场分布。最麻烦的是 E 面差分状态，它会把中央 sub-6-GHz 偶极子附近的场激得很强，表面波也跟着冒头，最后表现成方向图变形、增益掉点、交叉极化变差。

图9：双层EBG单元及其抑制效果。这里的设计很讲究：因为厘米波单元本身是堆叠贴片，sub-6-GHz 偶极子又与厘米波的寄生贴片处在相近层面，所以作者不是只放一层“围栏”，而是上下两层都做了 EBG 布局。这样做的目的，就是在有限口径里尽量形成高阻边界，把不该乱跑的电流和表面波拦住。

图10：加EBG前后厘米波子阵性能对比。这个对比很关键，因为它不是“加了一个结构看起来更复杂”，而是实打实把匹配和方向图都拉回来了。尤其是原本最难看的 E 面差分状态，在 EBG 加入后明显更像样了。

EBG 不是白吃的午餐。它也会影响 sub-6-GHz 单元，因为离得近，某些 mushroom 结构会变成寄生体，轻微改写低频单元的阻抗和辐射。论文没有回避这个代价，而是直接做了权衡：用一点低频性能的微调，换来高频耦合问题的大幅缓解。这就很工程：没有完美方案，只有更少副作用的方案。

图11：EBG对sub-6-GHz 2-bit单元的影响。可以看到，低频单元在加入 EBG 后仍然保持了可接受的匹配、稳定的增益和接近 90° 的相位步进。也就是说，EBG 不是把低频“顺手毁掉”，而是在可控代价下把高频问题压住了。

实测验证：Sub-6GHz和厘米波频段的独立波束形成与扫描

论文真正值钱的地方，还是落在实测上。因为天线这东西，仿真里永远温柔，实物里才会露出脾气。作者做了样机，并在暗室里完成测试，验证了两件事：第一，两套频段都能工作；第二，两套频段还能各自独立控波束。这才是共享口径方案该有的样子。

图14：样机实物与测量环境。这个图很重要，因为它说明论文不是停留在纸面电路图上，而是已经做成了可测的实体。对射频论文来说，能把样机做出来，本身就已经跨过了不少坑。

图15：实际制作的90度相移器。紧凑移相器能不能真做出来，决定了整套 2-bit 方案是不是纸上谈兵。这里样机已经落地，说明前面的设计链条是闭环的。

图18：sub-6-GHz 2-bit 阵列实测方向图。论文给出了两个差分波束状态和九个代表性定向波束状态，总共 11 种可重构图样。对一个 2×2 小口径来说，这个结果已经不是“能转一下”，而是“能比较像样地组织波束了”。

图19：sub-6-GHz 阵列辐射效率。效率没有被可重构结构拖得太惨，这一点很关键。很多可重构天线的问题不是“能不能扫”，而是“扫的时候掉了多少效率”。

图12：厘米波 4×4 准2-bit 阵列扫描性能。这里的“准2-bit”很好理解：1-bit 覆盖所有单元，而第二个比特由子阵共享，因此自由度略少于完全逐单元 2-bit，但代价是结构更省空间、实现更现实。最终它实现了 E 面和 H 面双向二维扫描，最大可到 ±40°。

与很多“能扫但扫不远”的方案相比，这里最值得注意的是，厘米波阵列不是只在一个平面上摆摆样子，而是做了E 面和 H 面两个方向的扫描验证。这说明它不是单向演示，而是具备更完整的波束控制能力。论文给出的峰值增益也比较实在：sub-6-GHz 最高广侧增益约 10.5 dBi，厘米波峰值增益约 14.6 dBi。数字不算夸张，但很扎实。

图20：厘米波 E 面扫描的仿真与实测 S 参数。可以看到，不同扫描状态下匹配仍然保持在可接受范围内，这说明优化出来的固定相位延迟确实起作用了，不是摆设。

图21：厘米波 H 面扫描的仿真与实测 S 参数。E 面和 H 面都能稳定工作，说明这个方案不是“只在一个方向上灵光一现”。

图22：厘米波 E 面不同频点的方向图。这里能看出波束扫描在频点变化时仍然保持了比较稳定的趋势，说明阵列的频率鲁棒性还不错。

图23：厘米波 H 面不同频点的方向图。实测和仿真总体一致，说明整个“相位控制 + EBG 抑制 + 固定延迟优化”的链条是能闭合的。

图24：厘米波阵列辐射效率实测结果。对于工程应用来说，效率曲线往往比单个漂亮方向图更有说服力，因为它直接告诉系统：这个方案能不能长期干活。

表I：与相关工作的对比。论文在这里想证明的不是“某一个指标特别炸裂”，而是它同时兼顾了双频共享口径、独立波束控制、低剖面和较紧凑的可重构实现，这几个目标放在一起，本来就不容易。

如果把整篇文章压缩成一句话，那就是：它没有把双频共享口径这件事做成“拼装玩具”，而是做成了一套能真正独立控波束的工程方案。sub-6-GHz 负责广覆盖，厘米波负责容量，二者共享口径但互不抢戏，这才是面向下一代基站前端更像样的方向。

总结与未来展望：这项技术对未来基站天线设计的启示

这篇论文的价值，不在于它把一个天线做得“很花”，而在于它把几个原本互相牵制的目标放到了一个可落地的系统里：共享口径、独立波束控制、低剖面、少硬件、还能实测。对基站前端来说，这种思路比单纯追求某一个指标更有现实意义。

它也暴露了一个很现实的边界：共享口径越紧凑，耦合和布局约束就越强，系统越难做到“全都要”。因此这类方案未来如果要继续走向更高集成度，可能还要在三件事上继续下功夫：更高效率的可重构器件、更低损耗的相移与偏置网络，以及更系统化的多频协同优化。换句话说，天线设计已经不是单点优化的时代了，而是“结构、电路、算法、测试”一起上桌吃饭的时代。

如果把这项工作放到工程实践里看，它更像一块可复用的设计模板：当系统既要双频，又要独立波束控制，又要省空间时，先想清楚哪些功能必须逐单元实现，哪些功能可以子阵共享，哪些耦合必须靠结构隔离，而不是一上来就往上堆模块。这个思路，比“再加一层电路看看”靠谱得多。

龙迷三问

下面是龙哥对于大家可能的一些问题的解答：

这篇论文到底解决了什么问题？它解决的是双频共享口径天线里最麻烦的那件事：不仅要把 sub-6-GHz 和厘米波阵列放进同一块口径，还要让两者都能独立做波束控制，同时尽量不依赖传统 T/R 模块和复杂波束形成网络。

文中的“准2-bit”是什么意思？意思是厘米波部分并不是每个单元都独立拥有完整第二比特，而是一个 2×2 子阵共享一个 90° 相移器，所以自由度略低于完全逐单元 2-bit，但换来的是更紧凑的实现。

EBG 为什么这么关键？EBG 也就是电磁带隙结构，主要作用是抑制厘米波激发的表面波和 sub-6-GHz 单元上的高阶模式。没有它，最难的 E 面差分状态会明显失真；有了它，耦合问题会被压下去，阵列方向图和匹配都会更稳。

如果你还有哪些想要了解的，欢迎在评论区留言或者讨论~

龙哥点评

论文创新性分数：★★★★☆。双频共享口径并不少见，但把独立波束控制、1-bit 开关、紧凑 90° 相移器和双层 EBG 组合成一套完整可测系统，思路还是挺完整的。

实验合理度：★★★★☆。仿真、样机、暗室测试链条比较完整，且对 EBG 前后、不同扫描状态都做了对比，可信度不错。

学术研究价值：★★★★☆。它对多频段基站前端、共享口径阵列、低复杂度波束控制都有直接启发，属于能给后续工作提供模板的那类论文。

稳定性：★★★☆☆。能测出来、能扫出来，说明基本可用；但 PIN 二极管、偏置网络和共享子阵控制带来的系统复杂度，离大规模产品化还有距离。

适应性以及泛化能力：★★★☆☆。方法对双频共享口径有启发，但频段比例、阵列规模和布局都比较依赖具体设计，不能简单照搬到所有场景。

硬件需求及成本：★★★☆☆。比传统 T/R 模块方案省硬件，但仍然需要可重构器件、偏置网络和较细致的射频实现，成本不算低。

复现难度：★★★☆☆。结构复杂、器件多、层间耦合敏感，复现门槛不低；好在论文给了较完整的结构和测量结果，算是有路可走。

产品化成熟度：★★★☆☆。适合做原型验证和特定基站前端探索，离大规模商用还需要进一步验证可靠性、环境适应性和批量一致性。

可能的问题：共享口径越紧凑，耦合和工艺敏感性越高；准2-bit 方案也说明自由度和空间之间仍有妥协，距离“全频段全自由”还差一步。

主要参考文献

[1] Zhaoyang Ming, Junhui Rao, Jichen Zhang, Yijun Chen, Alikhan Umirbayev, Chi Yuk Chiu, Ross Murch. A Dual-Band Reconfigurable Shared-Aperture Antenna Array With Independent Sub-6-GHz and Centimeter-Wave Beam Control. arXiv:2607.11511v1, 2026.

[2] 论文原文链接：https://arxiv.org/pdf/2607.11511v1.pdf

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