可重構微帶天線

需要天線中的可重新配置性，以消除針對多種特性（例如極化，頻率和輻射方向圖）采用多個天線的需求。17-21可重構性是通過使用開關或可調材料修改基板屬性或物理尺寸來實現的。基板材料的性能直接影響微帶天線的諧振頻率（與相對介電常數和磁導率成反比）和工作帶寬（與基板厚度成正比）。鐵電或鐵氧體材料可以通過施加DC偏置磁場來改變磁導率，從而通過改變其電氣尺寸來控制天線的諧振頻率。18歲

微帶天線中的導體尺寸可以控制輻射特性（請參見圖10）。19圖10a顯示了一個微帶矩形貼片（MRP），其外環通過二極管連接到內環。通過打開和關閉二極管，可以改變MRP尺寸，從而改變其諧振頻率。圖10b顯示了通過將短對角線放置在貼片內部而實現極化的可重構性。圖10c示出了以共享方式支持兩個天線，接收天線（總孔徑）和發射天線（內圈）的公共孔，展示了兩種輻射模式的可重構性。

圖10天線可重構性：頻率（a），極化（b），接收/發射（c）。

肖伯特等。圖19展示了通過將短路柱放置在天線孔徑中的選定位置來控制天線頻率和極化。還顯示了變容二極管和微機電（MEMS）電容器在提供頻率捷變方面的用途。Su等。20使用增材制造技術來演示基于二氧化釩（VO2）墨水的開關在天線設計中的頻率和輻射方向圖可重構性。Leszkowska等。圖21使用帶有嵌入式PIN二極管開關電路的上覆層來控制光束轉向。

穿戴式天線

人體可穿戴天線在人體局域網（BAN），無線局域網（WAN），健康監測和診斷以及人體通信中具有巨大的潛力。22-30 圖11展示了一個人與一個人體傳感器通信的用例，該傳感器與一個遠程健康提供者進行通信以進行監視，并與一個衛星進行通信以進行遠程數據收集。天線非常靠近人體，在阻抗匹配，比吸收率（SAR），尺寸，成本，重量，體積和貼合性方面，設計面臨很大挑戰。Mandal等。29描述了用于Wi-Fi和WLAN應用的薄型，圓極化的“紐扣天線”，其具有頻率選擇結構（FSS）來抑制反向輻射。Njogu和Sanz-Izquierdo 30展示了一種用于身體交流的指甲形天線。

圖11穿戴式天線用例。

MIMO天線

MIMO 31-33是一種無線電天線技術，在發射器（Tx）和接收器（Rx）處使用多個天線來提供用于傳輸數據的多個信號路徑（請參見圖12）。MIMO可以實現波束成形，發射分集和接收分集。在城市場景中，多樣性技術可以防止衰落并提高覆蓋范圍。MIMO空間復用使用相同的頻率來傳輸不同的信號。大規模MIMO（M-MIMO）32-33使用大量的相控天線陣列，而不是有源終端和時分多路復用。能量集中在較小的空間區域，以提高輻射能效和吞吐量。M-MIMO對于5G應用至關重要。

圖12 MIMO概念及其在5G應用中的使用

超寬帶（UWB）天線

由于脈沖形成網絡的限制，UWB天線34-40用于低功率和短距離應用。在美國，UWB發射機被定義為在任何時間點具有等于或大于500 MHz的帶寬或大于0.2的分數帶寬（FBW）的故意輻射器。天線設計具有挑戰性。UWB天線在其帶寬上應具有平坦的群延遲。UWB的FBW定義為

美國聯邦通信委員會（FCC）已授權未經許可使用960 MHz以下，3.1至10.6 GHz頻帶中的UWB系統，且各向同性輻射功率（EIRP）非常低。UWB發射機的FCC功率譜密度發射限值為?41.3 dBm / MHz。UWB天線設計面臨的挑戰是：在UWB上實現一致的增益，HPBW，極化和相位；實現小天線尺寸（薄型）以適合商業系統；和控制成本。

已經開發了許多屬于行波天線家族的天線設計，例如對數周期偶極天線（LPDA），Vivaldi天線和螺旋天線，以實現UWB。然而，它們外形大且體積大，使得它們對于無線通信系統是不切實際的。在過去的十年中，對用于UWB的平面單極天線進行了大量研究。36-37，39這些天線的接地平面保持較小，以實現低剖面。因此，設計活動應在系統設計和優化中考慮天線接地平面。

Nunn等。圖39描述了用于UHF頻帶中的基于表面的冰探測的UWB圓形單極天線陣列。它包括16個平面子陣列，形成16 x 17 m的Mills交叉陣列，可最大程度地提高沿交叉和沿軌道方向的靈敏度和空間選擇性。絕緣泡沫將接地層與單極分開，以使最大輻射指向側面。Nie等。40報告了在端口和公共接地之間具有高度隔離的兩端口共面波導（CPW）饋電UWB天線。專為全半球覆蓋而設計，其隔離度大于31.4 dB，在2.98至10 GHz范圍內具有10 dB的分集增益。還展示了2.5 dB的增益，效率優于80％。

超材料天線

超材料是具有自然界中不可見的異常特性的電磁結構：41，42

 雙負（DNG）材料 

 負折射率 

 左撇子

 單負（SNG）材料 （E –，H – 場和波矢不遵循右手定則。）

 向后波（能量流與波矢量反平行）

DNG材料導致相速度和功率流反向平行；因此，截止波導的實現在假設上是不可行的。挑戰在于天線質量因數及其電氣尺寸的根本限制。這些材料的諧振使得設計更小的天線成為可能（請參見圖13）。42盡管這種多頻帶天線很細，只有幾毫米，但它們的作用距離卻翻了一番，并提高了手機，Wi-Fi路由器和無線調制解調器的可靠性和電池壽命。

圖13小型超材料天線。

連接陣列天線

惠勒（Wheeler）43介紹了一種連續電流表（CCS）的概念，該電路會輻射橫向電磁（TEM）波（請參見圖14a）。接地平面被λ/ 4隔開的電流板的輻射電阻R在120Ω

并導致假設的無限帶寬。CCS吸收入射平面波而沒有任何反射。對于具有入射角 的E平面掃描，  由于E場在孔上的余弦投影，邊界電阻與cos成正比。對于H平面掃描，邊界電阻與cos -1成正比。然而，實際上，無限且均勻的電流表是不可行的。Munk 44是第一個演示它實際使用互連天線元件和5：1帶寬偶極子陣列（稱為“電流表陣列”（CSA））的公司（參見圖14b）。TCDA正在研究中，以產生更有效的CSA形式。3、38、45 

圖14連接的陣列天線：CCS（a）和CSA（b）。

擋風玻璃天線

汽車工業正在引入多個用于安全和娛樂的車載傳感器。46 圖15顯示了一輛汽車，它支持連接到其車身的各種天線（f1，f2，f3，f4等）。汽車需要天線來播放音樂（f3），文件共享（f2），導航（f1）和防撞雷達（f4）系統。他們需要用于導航的GPS天線，以及支持雨水和睡眠傳感器等各種傳感器的天線。面臨的挑戰是要實現小巧的外形，同時減輕多個傳感器之間相互干擾的影響以及車身對性能的影響。設計過程并不簡單，需要將各種低頻設計技術（如矩量法（MoM）和FEM）與高頻設計技術（如統一衍射理論（UTD）和彈跳射線（SBR））進行混合。47、48

圖15擋風玻璃天線示意圖。

分形天線

分形是看起來一樣的碎片幾何形狀，與大小縮放無關。分形金屬元件可以用作非常大的頻率頻帶上的天線，證明其自我相似性和縮放獨立性。曼德爾布羅創造了這個詞在1983年，49但起源可追溯到馮·科赫在1904年50他表明，它是可能設計出一個曲線沒有切線，任何地方。用于天線的最受歡迎的分形形狀是分形地毯，Sierpinski的墊片，Cantor的梳子，von Koch的雪花，Mandelbrot套裝和Lorenz吸引子。所有這些分形的一個重要特性是其不規則性質。圖16顯示了一些典型的分形天線。

圖16分形天線的典型示例。

最近的一些出版物[ 52，53]演示了新型的分形天線，例如花形和蕨形葉形啟發式維瓦爾第天線。Mondal等。圖52描述了一種基于花形的圓極化折疊式微帶貼片天線，具有49％的小型化，110度的3 dB波束寬度和120度的AR波束寬度。受自然啟發的蕨形分形葉結構顯示出19.7 GHz的阻抗帶寬和10 dBi的增益。53

智能天線

智能天線是一個誤稱。它實際上是一個結合了天線結構的智能系統。它用于諸如到達方向（DoA）估計，自適應波束形成和自適應零點形成的應用。54，55 圖17是一個類比，將智能天線系統與盲人和兩個揚聲器進行比較。失明的人可以“調音”耳朵以聽一個揚聲器，而忽略另一個揚聲器。類似地，智能天線系統可以抑制來自一個方向的干擾并增強對來自所需源的信號的接收。MIMO是智能天線系統的一個例子。它不是單獨的天線類型，而是現有天線類型的智能系統。

圖17智能天線系統示意圖。

DGS天線

實際上，天線必須安裝在某些結構上，該結構可以是飛機，輪船或諸如手機塔之類的固定結構。常規上，為了便于分析，天線設計采用無限大的接地平面或具有良好平面性的有限的接地平面。安裝結構會影響天線性能，因為它們無法滿足設計中假定的精確條件。圖18是顯示平臺對天線方向圖的影響的示意圖。黑色和藍色曲線分別顯示了一個假設的天線方向圖，該天線方向圖沒有受到機載平臺的影響，也受到了機載平臺的影響。

圖18天線-平臺相互作用。

源自光子帶隙（PBG）結構的DGS或EBG結構提供了一種方便的解決方案。DGS是具有類似于帶阻濾波器特性的人工周期結構。它們阻止某些頻段通過。它們可用于在安裝平臺上的天線下方局部實現天線接地平面，以最大程度地減少平臺相互作用。56-58 Obelleiro等。圖56展示了對安裝在飛機，輪船和其他車輛平臺上的陣列天線的詳細研究。他們使用MoM分析法考慮了元件與平臺之間的互耦合對天線性能的影響，旁瓣電平的下降幅度高達15 dB。Kumar等。57通過將DGS與微帶天線集成在一起，可以提高極化純度。演示了共極化和交叉極化模式之間隔離度提高了12 dB。貝爾等。58通過使用DGS結構實現輪廓減小。DGS對于控制互耦，提高極化純度，實現小型化并減輕為實際應用而設計的天線中非理想接地平面的影響至關重要。

保形天線陣列

在機載應用（即飛機，導彈）中，天線可能會增大車輛的雷達橫截面（RCS）并干擾空氣動力學。因此，希望天線結構是保形的（見圖19）。此外，保形天線對于實現可穿戴天線也是理想的。

圖19保形天線圖示。

SHAAS滿足國防和商業要求，將滿足多種功能（如雷達，通信，識別敵我對敵（IFF）和GPS）的不同天線組合在一起。4，55，56在某些應用中，例如海上巡洋艦，傳統平臺上可能裝有100多個單獨的天線。62 SHAAS通過共享多個功能的通用光圈解決了這個問題（請參見圖20）。

可以同時或在分時模式下訪問多種功能。天線設計面臨的挑戰是減少工作頻帶之間的帶內和帶外耦合，最小化與安裝平臺的相互作用，使電子設備小型化并排列元素間網格以避免光柵波瓣，同時減輕掃描損耗。4、9、63張等。圖64描述了利用結構重用的概念的雙頻帶共享孔徑天線。SHAAS提供了一種使天線系統更環保（更高效），更緊湊且成本更低的解決方案。

圖20在移動平臺上的共享孔徑概念。

雷達天線

圖21顯示了自赫茲概念化第一個使用環形天線的火花塞實驗以來雷達天線的演變。后來，Yagi和Uda（1920）引入了Yagi – Uda天線，隨后是1930年代的號角天線，1940年代的天線陣列，1940年代末和1950年代初的拋物面反射器，1970年代的微帶貼片天線和1980年代的PIFA。 。

后來，開發出了機械掃描陣列（MSA），其固定波束天線安裝在伺服轉子機構上。但是，伺服系統的慣性限制了旋轉速度或掃描速度。為了克服這個問題，開發了無源電子掃描天線陣列（PESA），該電子陣列通過每個天線后面的移相器以電子方式旋轉或掃描波束。

在PESA中，由于在后端分配從單個高功率發射機（HPT）接收的射頻功率的固定功率分配網絡，天線孔徑上的幅度分布是固定的。4 HPT的故障表示系統的單點故障。有源電子掃描天線陣列（AESA）克服了這個問題。

AESA在單個外殼中的每個元素后面（稱為發射-接收模塊（TRM））包括獨立的發射器和接收器。4、6 AESA的一個關鍵特性是平穩降級，即即使在很少的TRM（通常少于10％到15％）出現故障的情況下，雷達也只能以有限的功能運行。AESA的總體設計要求可以歸納為以下參數：

功能要求

空間掃描量

瞬時/工作帶寬

光束寬度

峰值和平均旁瓣電平

天線增益

極化

峰值功率和平均功率輸出

光束切換能力

主電源要求

物理要求

尺寸，重量，運輸和流動性

生產，維護和可靠性

環境要求

沖擊和振動能力

工作溫度范圍

濕度，鹽，霧和真菌

圖21天線演變。

 文章來源于網絡，如有侵權，麻煩聯系管理員刪除