可重构天线研究.docx

可重构天线设计近年来，无线通信技术得到飞速发展，系统对天线性能的要求越来越高。大容量、多功能、超宽带是目前无线通信系统发展的重要方向，为了提高系统容量，下一代无线通信将更多的考虑采用MIMO技术。MIMO技术指的是利用多个发射天线和多个接收天线进行无线传输的技术，在分集技术出现后多径效应在MIMO系统中作为一个有利因素被加以利用，从而改善了每一个用户的服务质量及提高了频谱利用率。但是，随着使用天线数目的增加，通信系统的整体成本和重量也随之增加，而且会带来电磁兼容方面的问题，使得MIMO技术实现的复杂度和成本大幅度增高，不能充分发挥其技术优势。技术相对成熟的相控阵天线又存在馈电网络复杂、需增加移相器以及由此造成的高成本和高技术难度等缺点。可重构天线在这种背景下应运而生。可重构天线就是采用同一个天线或天线阵，通过引入开关器件控制天线的辐射结构来实现工作模式的转换，使其具有多个天线的功能。这种天线能够根据应用需求改变其关键特性参数，如工作频率、辐射方向图、极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等，具有不用人工干预，便于控制等特点。可重构天线为天线技术的发展带来了一次革命，为提高无线通信系统容量、扩展系统功能、增加系统工作带宽、实现软件无线电等方面提供重要的技术保障，将对无线通信技术带来深远的影响。可重构天线按照功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、频率和方向图同时可重构天线、极化可重构天线等。方向图是天线的一个重要特性，在军民用雷达、智能武器制导、无线通信等系统中要求天线具有方向图可控性，因此，方向图可重构天线是可重构天线研究的重要方向。1可重构天线基本原理天线设计是一个很复杂的电磁问题, 虽然天线的种类形形色色, 但其本质归根到底就是设计一个具有特定电流分布的辐射体。天线所要求的各个参数都是由其辐射体或包围辐射体的封闭面上的电流分布决定的。可重构天线作为一种新型的天线, 之所以可以重构天线的参数、具有可切换的不同的工作模式, 其本质也就是通过改变天线的结构进而改变天线的电流分布来实现的。因此, 可重构天线的设计需要高效的电磁分析手段, 而不是等同于多个传统天线的简单叠加。目前在可重构天线设计的电磁分析中广泛使用的方法有: 时域有限差分法( FDTD) 、有限元法( FEM) 、边界元法( BEM) 、矩量法( MOM) 等。特别是FDTD, 由于它具有建模容易、计算时间短、对电磁特性模拟精确等优点, 因此在可重构天线的设计中有很大的应用价值。2频率可重构天线理想的频率可重构天线指的是保持天线其他特性不变，在一定范围内具有对频率的调谐或切换能力的大线。重构天线工作频率的方法有：加载开关，加载可变电抗元件，改变天线机械结构，以及改变天线的材料特性。这些方法都依据相同的工作原理:改变大线的有效电长度从而使相应的L作频率发生变化。线天线，环天线，缝隙天线和微带天线都属于谐振天线。对于这些类型的大线而言，天线的有效电长度主要决定了天线的工作频率、带宽(分数带宽一般不超过10%，常见数值在1%到3%之间)和天线上的电流分布。比如，对于传统的线性双极大线，一阶谐振发生在天线长度接近半个波长处，这时天线表面的电流分布导致了水平全向的辐射模式。因此，如果我们希望使该天线工作于更高的频率，我们可以缩短双极天线的长度，而这个长度对应于改变后的工作频率的半个波长，这样便达到了频率重构的目的。以上准则不仅对于双极大线成立，也同样适用于环天线、缝隙天线和微带天线。2.1开关可重构天线的有效电长度可以通过加载开关的方法加以控制改变，从而达到重构天线频率的目的，比如光学开关，PIN二极管开关，FET开关，以及射频为电子机械系统MEMS开关等。据文献中介绍，光学开关相对于其他类型的开关，有助于减少开关数量并且降低开关偏置线的影响。2.2加载可变电抗加载可变电抗元件的重构方式与加载开关的重构方式基本相同，两者的区别只在于，前者能够在一定范围内实现对频率的离散切换，后者则可以在儿个频率之间进行连续调谐。文献中一种连续调谐微带贴片天线，就是在天线的两辐射边分别加载变容一极管。变容管的反偏电压范围在0到30V之间，对应其电容值可以从24连续变化至0.4pF。随着偏置电压的改变，加载贴片边缘的电容值对天线的有效电长度进行调谐，由此可获得一个大带宽连续频率调谐范围。2.3改变机械结构相对于电重构方式，采用机械方式重构天线结构能够获得更大的频率变化，不论是在开关离散重构还是连续变化重构的情况下。这种重构方式的主要挑战在于天线的物理设计，激励机制，以及在结构发生巨大的变化的同时对天线其他特性性状的保持上。一种通过机械结构变化而连续调谐天线频率的的例子是一个磁制动微带天线。天线工作于26GHz附近。在天线表面附着一层很薄的磁材料，天线的辐射片与介质基片构成一定的角度.利用一种被称为塑料变形组装的微机械加工过程，对该天线施加外加的DC磁场可以使粘合在基片上的弯折塑料部分变形，从而导致辐射贴片与基片的夹角发生变化。角度上小的改变会导致工作频率的变化而保持辐射特性无明显变化;而大的角度变化则在改变工作频率的同时，使天线的辐射方向图也发生明显的改变。特别是当贴片与水平基片之间的仰角超过45度时，天线的方向图更接近一个喇叭天线，而当仰角接近90度时，天线的方向图则过渡为单极天线的形式。2.4改变材料特质虽然对导体重构的设计思想在可重天线设计中占主导地位，改变天线的材料特性同样能够到达对天线频率的调谐。应用静电场可以改变铁电体材料的相对介电常数，而应用静磁场可以改变铁氧体材料的相对磁导率。这些相对介电常数和磁导率的变化会导致天线有效电长度的改变，从而改变天线的工作频率。这一方法本质上的一大优点是，这类材料的相对介电常数和磁导率比较一般常用材料的相应数值要高，这可以显著减小天线的尺寸。而这一方法的主要缺点则是，这些标准铁电体和铁氧体材料(通常厚度在毫米量级)相对于其他类型基片的高传导率会严重损害天线的效率。3极化可重构天线天线极化可重构性作为一种附加的自由度，通过在系统使用中切换天线的分集方式，可以有助于提高系统在变化的环境中对干扰信号的免疫能力，从而达到改善链路质量的效果。天线表面的电流方向决定着天线远区电场的极化方式。为获得极化可重构性，天线结构，材料特性，或者馈电结构必须改变天线表面的电流方向。极化可重构可以是不同方向的线极化之间的重构、左旋或右旋圆极化之间的重构，或者是线极化与圆极化之间的重构。达到这些改变的机制(比如改变开关状态或结构)与前面描述的频率重构机制基本相同，当然，它们具体的实现方式有所差异。该种重构性主要的实现困难在于，在实现极化可重构性的同时要保持天线的阻抗或频率特性的稳定。由于微带天线易于产生线极化和及圆极化波的优点，现今文献中报道的极化可重构大线设计基本都是基于微带天线形式的。Fries等人研制了一种带有PIN三极管开关的缝隙环天线。该天线可以实现线极化与圆极化、或左旋与右旋圆极化状态之间的切换。对于线极化/圆极化设计，将位于45和一135方向的两个二极管正偏可获得线极化特性，反偏则获得圆极化特性。为实现左旋与右旋圆极化状态之间的重构，在设计中增加了对称的不连续结构。在两种设计中，为开关提供适当的OC偏置的同时又要保证RF信号的连续性(采用电容连接地平面各部分)，所以对地平面的设计尤其重要。该结构说明了相对于传统的固定天线，为使天线具有可重构性需要附加元素的重要性基本辐射结构可能大致相同，但是在提供DC偏置连接和保持RF信号稳定方面则需要做重大调整。4方向图可重构理想的方向图可重构天线指的是，在保持天线其他特性参数不变的情况下对辐射方向图具有调节能力的天线。天线辐射结构上电流或磁流的分布情况直接决定了天线的空间辐射方向图的形状。由于这种源电流与由其导致的辐射方向图之间的对应关系，使得在保证频率特性不发生很大改变的前提条件下获得方向图重构性能变得十分困难。天线设计者首先要确定所需的电流分布(包括幅度和相位信息)。一旦所需的电流分布拓扑结构确定下来，设计者根据这一点选择一种基本的天线形式，然后对其做必要改动最后实现期望的电流分布形式.这一设计过程与阵列合成技术十分相似。剩下的任务就是考虑如何修改设计以保证天线终端的阻抗特性不发生大的改变，或者为改变的阻抗特性提供可调节的补偿匹配电路。在某些情况下，可以选择诸如反射器天线或寄生祸合天线结构。这类天线的输入端与天线结构的重构部分具有更好的隔离，这就允许天线的阻抗特性不随方向图的重构而发生改变。5国内外研究现状虽然可重构天线在近年来得到了高度重视，并且研究发展迅速，但是在具体实现上还存在一些难点和瓶颈。首先，开关的引入会影响天线的电流分布，天线产生的辐射场，对射频开关的性能也会带来影响，而目前有不少关于可重构天线的研究并没有采用真实的开关。其次，可重构天线的研究成果中极少提到偏置电路的设计思路。最后，可重构天线包含了天线本身、射频开关、直流偏置电路等方面的内容，而绝大部分的研究仅限于开关和天线本身，很少有对可重构天线进行整体性研究的例子。通常为了衡量天线的性能，我们关注天线的两种类型参数性能，一是天线的输入端口阻抗随频率变化的性能(或称天线的频率响应特性);一是天线的远场辐射性能(或称辐射模式)。天线作为一种换能器装置能够将波导中传播的导行波转化为自由空间传播的电磁波。因此天线兼具路和场的性质。作为电路一部分的天线模块，相对于馈线来说是一个一端口负载元件，其输入阻抗和带宽由天线类型、天线表面源分布情况和周围环境等因素决定。尤其是输入阻抗，对于馈电点附近的物理细节十分敏感.另一方面，电磁波的辐射是由时变电流元和磁流元产生的，作为空间辐射源的天线模块，其上的时变源的分布状态决定着它的远场辐射模式。改变天线的表面电流或磁流分布状态就能够改变它的空间辐射特性(这也是重构天线辐射模式的着眼点)，但同时天线的频响特性也发生变化;反之为了改变天线的频率响应而改变天线表面的源分布也会影响其空间辐射性能。由此我们可以获得如下结论:对天线的频率响应和辐射模式参数的两者之一进行重构势必会影响天线另一个参数的性能。即，频率响应的改变会对辐射模式产生影响:而天线辐射模式的变化也同样会影响天线的频率响应性能。而可重构天线终极的研究目标是希望获得对天线的各个参数进行分别独立控制的能力。因此这种频率响应与辐射模式之间的关联性质成为可重构天线设计