可重构天线

可重构天线可重构天线目录可重构天线的原理可重构天线的设计方法可重构天线的分类可重构天线的发展趋势待解决问题可重构天线的关键技术可重构天线可重构天线星载合成孔径雷达无人机用合成孔径雷达可重构天线天线需求一方面,需要使天线能够工作在多个频带,具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面,又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本应用可重构天线主要应用在高频卫星通信系统,低频通信系统，电子情报，雷达（合成孔径雷达（SAR)),地面移动目标识别（GMTI)等诸多方面可重构天线发展史1983年,D.Schaubert首次使用了可重构天线的概念。1999年，美国国防高级研究计划局（DARPA)制定了“ReconfigurableApertureProgram”(RECPA)计划。在这一计划的资助下，一些大学和实验室进行了初步研究，实现了一定程度上的可重构，证明了可重构天线的可行性。目前，国内这方面的研究也尚处于初步阶段可重构天线基本原理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。可重构天线可重构天线设计的方法特别是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可重构天线广泛使用时域有限差分法(FDTD)有限元法(FEM)边界元法(BEM)矩量法(MoM)可重构天线的关键技术1.使用可变电容2.通过使用开关元件来切换选择天线的不同工作结构,改变天线的电流分布,从而实现天线多种工作模式的选择。3.硅光电开关、压电换能器(PET)、可调松紧度的螺旋结构可重构天线可重构天线的分类可重构天线方向图可重构天线极化可重构天线混合可重构天线频率可重构天线按照功能分类频率可重构天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改变天线的材料特性理想的频率可重构天线指的是保持天线其他特性不变，在一定频带范围内具有离散或连续可调特性这些方法都依据相同的工作原理:改变天线的有效电长度从而使频率发生变化可重构天线频率可重构天线的设计方法可控缝隙可控短路结构改变天线辐射结构可重构天线可控缝隙•可控缝隙法主要有2种:•开关可控缝隙开关可控缝隙是在缝隙中加载开关来实现，因天线的频率与天线表面电流的有效电长度有关，所以通过开关控制电流的流向改变有效电长度，实现频率的可重构•变容二极管可控缝隙.变容二极管可控缝隙是在缝隙中加载变容二极管来实现的，通过改变变容二极管的偏置电压使其容值发生改变.可重构天线上图所示的槽线矩形环频率可重构天线的工作原理是通过开关器件的通断状态来改变谐振长度的物理尺寸，从而实现天线频率的可调特性。图1.1（a）中外环的周长确定了较低的频率，而图1.1（b）中内环的周长则确定较高的频率。通过仿真软件可得到两个工作频率分别为3.0GHz和8.3GHz。在这两个工作频率下，天线的辐射方向图比较接近开关可控缝隙上图天线是通过开关器件改变了天线的电流路径，实现天线频率重构特性。天线辐射贴片上垂直天线工作模式方向开槽，以改变贴片上电流路径。槽的中央位置加载PIN开关二极管，当开关截止时，近似开路，电流路径如图1.3（b）所示，相对较长，此时天线谐振频率相对比较低；而当开关导通时，导通电阻很小，近似短路，电流路径如图1.3（c）所示，路径较短，此时对应的天线的工作频率相对比较高。变容二极管可控缝隙如图2.天线由一个填满聚四聚乙烯的背腔和带有缝隙的金属贴片组成，在缝隙中加载变容二极管.天线采用微带线馈电，微带馈线跨过缝隙通过探针与贴片连接，天线辐射特性S与偏置电压的关系如图2c).可以看出，随着偏置电压从0V变化到20V，频率在1GHz到1.9GHz连续变化，而天线的辐射方向图与极化方式都几乎没有改变，很好的达到了重构天线频率的目的..可控短路结构在天线的适当位置加载可控短路结构能显著的改变天线的工作频率短路针短路壁加载短路结构可以改变天线电流的路径，进而改变天线的频率，实现频率可重构可重构天线短路结构一般为加载短路壁的频率可重构天线一个频率可重构的单极圆形贴片天线，天线结构如图3a).天线由2个圆形贴片组成，顶面贴片通过电容藕合的方式与中间的贴片连接，中间的贴片与同轴馈电探针连接天线含有1对可控短路针和2对可控短路壁，控制短路结构的通断改变天线的电流路径，从而改变天线的工作频率，天线的工作方式如图3b).可以看出，通过控制合适的短路结构的通断，能重构出3个工作频段，实现4个通信频段的应用，而天线的方向图没有太大的改变.可重构天线改变天线辐射结构改变天线辐射结构主要是通过开关来改变天线的面积或者长度，进而改变天线电流路径和有效电长度，实则改变天线的工作模式，实现天线频率的重构.可重构天线基于PIFA天线的频率可重构天线可重构天线利用纳米机电开关设计了基于PIFA天线的频率可重构天线.天线由1个基本的PIFA天线和3个共面的矩形贴片A,B,C组成，通过纳长机电开关连接基本PIFA与三个矩形贴片.纳米几电开关具有微电子机械系统(MEMS)开关的优点(内插损耗,较高的隔离度等)，且克服了MEMS工作速度慢、工作电压较高的缺点.每个矩形贴片通过3个纳米机电开关同PIFA天线连接，控制开关的状态，可以选择不同的贴片连接到天线，促使天线的电流路径与长度改变，重构天线的频率.开关的不同状态组合所对应的工作频率如表1所示(ABC表示与B相连接的开关闭合，而其他开关断开)，可以看出:GSM900,GPS15752个频段在3个工作模式中都没有改变，而通过控制开关状态产生另外3个频段(GSM1800,PCS1900,UMTS2100)，实现天线的频率可重构.文献测量表明，天线的方向图几乎没有改变，具有稳定的方向性.可重构天线在馈电系统中加人可变电抗或者开关，改变可变电抗的偏置电压或者开关状态来改变加载的电抗值或者馈线长度，进而改变天线的谐振模式，实现频率的可重构.通过改变馈电系统的结构来实现频率的可重构.其他方法实现频率可重构其他方法实现频率可重构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方向图可重构天线辐射方向图是为了描述天线在空间不同方向辐射功率强度的不同而引人的.方向图可重构天线是通过实时改变天线结构来控制辐射方向图，实现了相控阵天线的功能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重构天线方向图的主要手段是控制天线表面电流的分布情况可重构天线方向图可重构天线的设计可重构天线目前，方向图可重构天线具体实现大体有以下几种形式：1.天线采用多馈电馈电，通过改变各个馈电的相位来改变天线的辐射方向。2.采用Yagi阵，在主辐射单元附近的寄生单元中加入开关或电抗可调器件控制天线的辐射方向。方向图可重构天线的设计3.用开关器件选通方位不同的天线辐射体来改变天线的辐射方向。4.在天线口径中加载开关或电抗可变的器件，改变天线电流分布，以获得天线辐射方向可变特性。5.使用机械方式改变天线形状，使天线辐射方向发生改变如图是一种多馈点的方向图可重构微带天线，该天线共有3个馈电点，沿圆环均匀分布，如图1.5（a）所示。这3个馈电点等幅激励，馈电相位可以通过图1.5（b）中馈点网络来调整。该馈电网络一共使用了6只SPDT开关，通过这些开关选通不同相位延迟的微带线，能够在3个馈电点产生不同的相位延迟。当这3个馈电点相位发生变化时，天线上的电流分布也随之变化，从而引起辐射方向图发生变化，该天线能够在水平面上实现360°全向扫描，扫描角度间隔为120°。基于寄生原理的方向图可重构天线天线的基本结构如图4.该天线由1个微带八木天线和4个开关组成，改变寄生单元(反射单元和引向单元)结构可以重构天线的方向图.天线工作于两个模式:当K1,K2断开K3,K4闭合时，微带线3为引向器，微带线2为反射器，记为R模式，主要波束方向ψ=31°，-3db波束范围为3-55°;当K1,K2闭合K3,K4断开时，微带线2变为引向器微带线3为反射器，记为L模式，主要波束方向ψ=-32°，-3db波束范围为-4-56°.可以看出，天线的方向图得到重构，而由于天线的结构对称，频率没有变化可重构天线极化可重构天线随着日益复杂的电磁通信环境，无线电信号的多径衰落效应会对目前许多无线通信系统的通信质量造成严重影响.利用极化可重构天线不仅可以消除多径衰落效应，还可以增加频率的复用，所以极化可重构逐渐成为可重构天线研究的一个热点.极化正交的两个线极化方式之间切换两个圆极化方式之间的切换极化可重构的主要分类有:可重构天线左、右旋圆极化及线极化之间切换如图，介绍了用一个天线实现左旋圆极化和右旋圆极化的方法。微带贴片天线上有两个垂直的槽，每个槽上分别放置一个PIN二极管，两个开关的开闭状态会影响天线上两种传输模式的谐振频率。恰当的选择槽的长度和位置，一个开关闭合而另一个开关断开，可以使两种模式的场幅度相同而相位相差90°，这样就可以分别实现左旋和右旋圆极化方式如图是一种微带贴片形式的极化可重构天线，该天线能够在左右旋圆极化和线极化3种不同的极化方式工作。天线方形贴片的4个角分别用细槽与主辐射贴片隔开，并加载了4只PIN开关二极管。开关导通时，可以近似等效为1.5欧姆的电阻；截止时，二极管等效为0.35pF的电容。当二极管1和3导通时，天线的工作频率1.599GHz,极化方式为左旋圆极化；当开关2和4导通时，天线的工作频率1.604GHz，极化方式为右旋圆极化；当所有二极管导通时，天线的工作频率为1.579GHz；极化方式为线极化；当所有二极管截止时，天线的工作频率为1.609GHz，极化方式为线极化。由上述可知，该天线有极化可重构能力，但不同极化方式下天线的工作频率存在明显的频率偏移混合可重构天线混合可重构是根据实际需求，对天线的频率、方向和极化方式进行两个或者两个以上特性参数的重构.混合可重构天线设计比较困难，主要是结合频率可重构天线、方向图可重构天线以及极化可重构天线的设计方法可重构天线基于印刷振子的同时改变频率和方向图的混合可重构天线，通过开关控制天线的结构当所有开关都闭合时，天线为一个带反射器的偶极子天线，波束定向辐射，工作频率范围为2.37-2.73GHz;当所有开关都断开时，天线为一个单极子天线，波束全向辐射，工作频率范围为2.18-2.53GHz.可重构天线频率和极化方式同时可重构的微带缝隙天线该天线由带缝隙的微带贴片天线和一个开关组成，天线同轴馈电在矩形贴片的对角线上.选择合适的馈电位置、贴片以及缝隙的大小，通过控制开关的状态可以同时改变天线的频率和极化方式.当开关闭合时，中心工作频率为4.55GHz，辐射波的极化方式为左旋圆极化;当开关断开时，中心工作频率为4.20GHz，辐射波的极化方式为右旋圆极化.可重构天线可重构天线发展趋势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可重构天线发展趋势可重构天线已经成为天线领域的研究热点，但是国内的研究开展的相对较少，尚处于起步阶段.现阶段研究的内容是可重构带阻天线、可重构超宽带天线以及并行计算在可重构天线中的优化应用平面型结构为可重构天线的主要发展方向.由于平面型可重构天线具有易于和开关器件及其控制电路集成、体积小、容易搭载到移动通信系统中等优点，目前已引起了研究人员的广泛