论文笔记（五）：反射式放大器应用于超表面

文献基本信息

• 题目：An Active Reconfigurable Intelligent Surface Utilizing Phase-Reconfigurable Reflection Amplifiers
  • 一种主动式可重构智能超表面，使用可调相的反射放大器
• 研究来自于香港科技大学
• 发表于《IEEE Transactions on Microwave Theory and Technologies》
• 频率在2.4GHz，窄带

关于为何要使用反射式放大器

一种实现有源超表面的方式是使用放大反射阵列（amplifying reflectarray），其可以将入射波以放大的散射场以及正交极化进行反射。可以制造拥有两种不同极化的二端口天线，并使用传统的功放将两个端口连接起来。为了维持天线不同端口间低互相耦合（low mutual coupling），不同端口的极化需要是正交的。因此带来的一个局限是它会改变散射波的极化方式。另一个局限是放大反射阵列关注固定的设计，缺少调谐部件，比如移相器。

架构

如图，整体的超表面使用贴片天线接收/发射信号，并通过SMA接口与移相放大部分连接。因为采用了反射放大器，所以入射和反射信号都通过同一个SMA接口进行传输。

放大器部分，使用AsGa的N沟道晶体管构成共源放大电路，在源极和漏极分别加可调整尺寸的短截线，并在源极添加直流偏置电阻以使晶体管工作在稳定的工作点上，形成负反馈路径。在栅极与源极间添加电容以防止高频可能出现的自激振荡。

移相器部分，使用单刀双掷开关切换传输路径进行相位调整。共四个SPDT，两个控制90°通路，两个控制45°通路，达到四状态相位控制。

反射式放大器理论分析

反射式放大器只有一个端口。令该端口输入阻抗为 ，而外部传输线的特性阻抗为 ，则有反射系数 。为了使反射系数的模大于1，则需要输入阻抗的实部 为负数。

关于反射式放大器更多的理论分析将在论文笔记（六）中展开。

实测效果

放大器部分

单独制造了反射式放大器的单板进行增益测试。左图为不同输入功率，压缩点在-20dBm附近。考虑到是对接受的无线信号进行放大，可以接受。右图是不同偏置电压下的增益曲线，控制效果比较明显。

移相器部分

单独制造了移相器的单板进行测试。

• 图(a)展示回波都在-20dBm以下，几乎无反射；
• 图(b)展示透射波在不同调相状态下的幅度一致性，四种状态的幅度差距不超过0.4dB；
• 图(c)展示四种状态的相位曲线，可以看到两两相差约45°，不同状态间曲线区别明显；
• 图(d)展示相位误差，工作频带内误差小于5°；