课题组在可重构天线阵列研究方向取得系列研究进展
近期，课题组围绕可重构天线阵列（Reconfigurable Antenna Array，RAA）无线通信系统开展研究，探索了从增加天线规模到提升天线灵活性，已在 IEEE Transactions on Wireless Communications、IEEE Transactions on Communications 等通信领域权威期刊发表多篇论文。课题组从电磁机理出发，建立统一的信号处理框架，将天线硬件的可重构性转化为系统可发掘和优化的自由度，并通过多场景仿真验证了在不简单依赖阵列规模扩张的前提下，可重构天线阵列能以更低的功耗，提升无线系统频谱效率、抗遮挡能力及多频段适配能力，为面向6G的移动通信提供新的天线阵列设计视角，相关研究工作得到多项国家自然科学基金项目及国家重点研发计划项目的支持。目前“6G近场技术”公众号以“为6G通信打造“灵活”天线——东南大学戚晨皓教授团队在可重构天线阵列方向取得系列新进展”为题报道了我们的研究工作。
研究背景
随着面向6G移动通信的需求演进，阵列天线的设计思路正在发生变化。相比于5G标准，未来6G对吞吐量、可靠性、信号覆盖与能效提出更高要求。目前主流的提升途径之一是通过增加阵列规模与孔径，从大规模MIMO走向超大规模MIMO，来获得更高的波束赋形增益与空间分辨率，从而改善接收信号质量，并在近场条件下利用更丰富的空域资源提升系统性能[1]。然而，未来网络形态更加多样、通信频段更加丰富、无线环境更加复杂。在这样的背景下，仅依靠阵列规模扩张往往难以同时满足多场景、多频段与复杂环境的需求。因此，除增加阵列规模外，另一条值得关注的途径是，利用可重构天线，提升天线本体的灵活性。可重构天线通过引入PIN管等可重构器件，动态改变辐射特性，为系统提供额外的自由度，从而使阵列能够更主动地适应多场景切换、多频段协同需求与动态变化的电磁环境。
电控可移动天线：快速响应动态信道环境
针对机械调节天线位置可能带来的位置调节不精确、响应速度慢的问题，研究团队研究了基于可重构像素天线（Reconfigurable Pixel Antenna，RPA）的电控可移动天线（RPA-based Electronic Movable Antenna Array，REMA）[2]。如图1所示，该类天线通过动态调节像素间射频元件的连接状态，改变辐射表面的电流分布，从而在功能上实现天线辐射中心的“等效移动”。由于采用纯电控方式，REMA具备快速、精确调节的能力，能够更好地适应动态信道环境。考虑到实际硬件设计的限制，每个REMA可实现的天线数量有限，所以将其建模为在辐射区域内具备若干可选离散辐射中心的天线。
图1 RPA和REMA示意图
考虑到性能与成本的平衡，研究团队提出了两种电控可移动天线阵列（RPA-based Electronic Movable-Antenna Array，REMAA）架构，即部分连接REMAA（Partially-Connected REMAA）和全连接REMAA（Fully-Connected REMAA），其架构如图2所示。为验证这两种阵列架构的性能，研究团队构建了多用户和速率最大化问题，以联合优化REMA位置和波束赋形。
图2 部分连接和全连接REMAA示意图
由于REMA辐射中心位置是离散可选的，该问题是一个复杂的混合整数非线性规划问题。为此，研究团队提出了一种两步多用户波束赋形与天线选择方案来求解该问题。如图3所示，相比于使用固定位置天线，所提的部分连接和全连接REMAA能够大幅提升多用户通信系统的和速率。此外，部分连接和全连接REMAA随着REMA相邻辐射中心位置间隔的减小，能够逼近连续位置可移动天线（Movable Antenna）的性能。因此，REMA有望为未来的6G无线通信系统提供一种高性能候选方案。
图3 不同阵列架构多用户和速率随辐射中心位置间隔变化
三混合波束赋形技术：为毫米波通信开辟新自由度
为支持毫米波（Millimeter Wave，mmWave）频段的应用需求，团队研究了辐射中心可重构天线阵列（Radiation-Center Reconfigurable Antenna Array，RCRAA），并将其与传统的混合波束赋形架构相融合，提出了一种基于RCRAA的三混合波束赋形（Tri-Hybird Beamforming，THBF）架构[3]。如图4所示，该架构包括数字波束赋形（Digital Beamforming）、模拟波束赋形（Analog Beamforming）和电磁波束赋形（EM Beamforming）。其中，电磁波束赋形可通过包括RPA在内的一些天线技术实现，建模为在辐射区域内选择离散辐射中心的过程。相比于传统的混合波束赋形架构，基于RCRAA的THBF架构能够以一种低成本、低功耗和高扩展性的方式，增加系统的设计自由度。此外，由于电磁波束赋形能够以纯电控方式实现微秒级延迟，该架构可以较好地适应动态变化的信道环境。
图4 RCRAA三混合波束成形架构
研究团队在毫米波多用户下行通信场景下，构建了数字波束赋形、模拟波束赋形和电磁波束赋形的联合优化问题，以最大化频谱效率为优化目标，同时考虑了硬件约束和最大发射功率约束。由于这个优化问题非凸，各个优化变量相互耦合，并且包含恒模约束和离散变量的二元整数约束，直接求解该问题具有挑战性。因此研究团队将原问题转化为一系列凸优化子问题，并提出三循环交替优化方案。在内层和中层循环中，使用惩罚对偶分解方法，交替求解数字和模拟波束赋形矩阵；在外层循环中，使用坐标下降方法，求解辐射中心选择问题。由于每一步迭代都拥有闭式解，该算法的整体计算复杂度较低，能够较好地应用到大规模阵列中。
图5 RCRAA和固定位置天线阵列的频谱效率对比
为评估基于RCRAA的THBF架构的性能，研究团队仿真分析了频谱效率随发射功率的变化趋势，并与使用固定位置天线的传统混合波束赋形架构进行对比。如图5所示，相比于使用固定位置天线的传统混合波束赋形架构，基于RCRAA的THBF架构可显著提升频谱效率，如发射功率为40 dBm时，可将频谱效率提升21%左右。RCRAA可以在不增加天线端口和移相器的情况下，提供更大的设计自由度，从而能够更加有效地抑制多用户干扰，提升系统的整体性能。因此，该架构在面向6G的高能效传输方面应用前景广阔，可为相关系统设计提供参考。
双频段可重构天线：实现Sub-6G与毫米波频段协同
Sub-6 GHz与毫米波是当前移动通信系统的两个关键频段，但由于波长差异显著，二者对应的天线尺寸和阵列布局需求差别较大，使双频段系统的统一设计与协同优化面临挑战。此外，在动态通信环境中，传统固定布阵方式难以提供灵活的天线位置调节能力，从而限制了系统性能与功耗的进一步优化。为此，团队提出了Sub-6 GHz与mmWave双频段可重构天线阵列（Dual-Band Reconfigurable Antenna Array，DBRAA）[4]，如图6所示。受双频段共口径天线的启发，该阵列将多个毫米波天线组合构建一个Sub-6 GHz天线单元。通过PIN二极管连接不同毫米波天线单元，可动态选择用于构成Sub-6 GHz天线的毫米波天线单元集合，从而实现Sub-6 GHz天线辐射中心位置的灵活调节，提升系统适配与优化能力。
图6 DBRAA结构示意图
为评估DBRAA的性能，研究团队在满足通信和感知性能约束下，以最小化Sub-6 GHz频段发射功率为目标，联合优化数字波束赋形和Sub-6 GHz天线的位置。如图7所示，随毫米波天线数目的增加，Sub-6 GHz天线位置优化自由度增加，发射功率逐步减小。而固定位置天线由于无法优化天线位置，发射功率远高于双频段可重构天线阵列；经典的天线选择由于也受到候选天线尺寸和间隔的限制，位置调节自由度受限，仅能有限减小发射功率。结果表明，该双频段可重构阵列能在更低功耗下满足系统需求，为面向6G的绿色低功耗无线系统设计提供参考。
图7 不同天线阵列随候选毫米波天线数目变化的发射功率
混合夹持天线系统：实现从波长级到更大范围的波束重构
上述三类可重构天线的辐射中心调节通常在波长量级，难以单独应对遮挡与大尺度衰落等更宏观的链路挑战。为实现更大范围的辐射位置或波束重构，团队进一步研究了基于夹持天线（Pinching Antenna，PA）的通信系统（PA Systems，PASS）。PASS通过在介质波导上夹持介质粒子，将波导中的导波泄漏到自由空间中进行辐射。由于波导通常尺寸较大，通过移动介质粒子的位置，PASS可大范围重构辐射位置。
图8 H-PASS示意图
然而，现有PASS存在被动辐射自由度受限和机械调节部署不够灵活等问题。受可重构漏波天线（Reconfigurable Leaky-Wave Antenna，RLWA）可电子调节导波泄漏幅度和相位的启发，研究团队将可重构漏波天线引入PASS构建混合夹持天线系统（Hybrid PASS，H-PASS）[5]。如图8所示，H-PASS中的波导可配置连续位置可调的PA、离散位置可调的PA、RLWA或RLWA和PA的混合。H-PASS结合PA“大范围位置可重构”的优势与RLWA“电子可控幅相”的灵活波束赋形能力，实现机械可重构与电子可重构的融合，从架构层面缓解夹持天线系统被动辐射与机械激活带来的性能瓶颈。
图9 H-PASS、PASS和大规模MIMO的对比
为评估H-PASS的性能，研究团队以最大化多用户和速率为目标，联合优化数字波束赋形、可重构漏波天线模拟波束赋形和夹持天线的位置。图9对H-PASS、PASS和大规模MIMO进行了对比。由图中可见，在候选PA数目较少时，自由度受限，PASS性能大幅下降，甚至会低于大规模MIMO的性能。然而，H-PASS通过利用RLWA的高波束赋形自由度大幅提升了PASS的性能，大幅超出了大规模MIMO的性能。研究结果表明，H-PASS具有更高波束赋形自由度，为可重构天线系统设计提供了有益的设计思路。
研究总结
可重构天线阵列实现了从增加阵列规模到提升天线灵活性的范式转变，能够以较低的成本、功耗和硬件复杂度，显著提升系统性能。研究团队系统性地探究了可重构天线阵列的数学建模、信号处理和性能分析，展示了其在无线系统中的巨大应用潜力，为通信感知一体化、近场无线通信等新兴技术带来了新机遇，为未来6G无线通信系统的绿色化和高效化发展提供了新思路。
参考文献
Kangjian Chen, Chenhao Qi, Geoffrey Ye Li, and Octavia A. Dobre, “Near-Field Multiuser Communications based on Sparse Arrays,” IEEE Journal on Selected Topics in Signal Processing, vol. 18, no. 4, pp. 619-632, May 2024.
Kangjian Chen, Chenhao Qi, Yujing Hong, and Chau Yuen, “REMAA: Reconfigurable Pixel Antenna-based Electronic Movable-Antenna Arrays for Multiuser Communications,” IEEE Transactions on Communications, vol. 73, no. 11, pp. 12913-12928, Nov. 2025.
Yinchen Li, Chenhao Qi, Shiwen Mao, and Octavia A. Dobre, “Tri-Hybrid Beamforming for Radiation-Center Reconfigurable Antenna Array: Spectral Efficiency and Energy Efficiency,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 25, pp. 12263-12278, Feb. 2026.
Kangjian Chen, Chenhao Qi, and Octavia A. Dobre, “DBRAA: Sub-6 GHz and Millimeter Wave Dual-Band Reconfigurable Antenna Array for ISAC,” IEEE Transactions on Communications, vol. 73, no. 10, pp. 9830-9845, Oct. 2025.
Kangjian Chen, Chenhao Qi, Octavia A. Dobre, and Chau Yuen, “Hybrid Pinching Antenna Systems: Architecture and Beamforming Design,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 25, pp. 12129-12144, Feb. 2026.