一种等通量波束的多极化可重构天线

随着航天技术的革新,对近地轨道的通信需求逐年增高。近地轨道卫星就在此背景下产生,主要应用于遥感探测天气预报和数据通信领域。由于近地轨道卫星天线辐射波束所覆盖的地球表面是球面,因此波束通常设计为等通量形式。由于卫星通信通常存在极化失配、多径效应等问题,选择多极化而不是圆极化作为近地卫星天线的工作状态能更好地适应复杂的工作环境,保证通信质量,将等通量波束天线和多极化可重构技术结合起来有很大的应用前景。基于一对正交圆极化波能合成线极化波的设计原理,文中提出了一种具有等通量波束的多极化可重构天线,该天线由可重构馈电网络和带扼流环的隔片极化器圆波导组成。馈电网络中嵌入单刀四掷开关(SP4T)与单刀双掷开关(SP2T),通过改变开关的工作状态,馈电网络将给圆波导提供不同的馈电条件,在圆波导内隔片的作用下天线实现两种圆极化与两种线极化的可重构。通过在圆波导口引入扼流环以及波导口作“T”型开槽处理,实现波束赋形,并且保证天线在不同极化状态下辐射等通量波束。实测结果显示,天线在不同的极化状态下-15 dB重叠阻抗带宽14.7%,覆盖4.80~5.56 GHz,方向图顶部在θ为-24°~+24°范围内具有平坦效果,圆极化状态下空间轴比覆盖-51°~+50°,覆盖范围大于方向图顶部平坦范围。天线实测结果与仿真结果有较好的一致性,具有多极化和方向图顶部平坦的优势,可满足移动通信和卫星通信中多极化应用场景的需要。

一种方向图可重构单极子天线设计

提出一种新的方向图可重构单极子天线。该天线由一个矩形单极子和两组寄生条带组成,寄生带由类似于“2”和“5”字型的曲折条带组成,在左右两边寄生带中各加入一个PIN二极管。通过打开或关闭相应的PIN二极管,寄生带表面电流将发生变化,从而改变天线的方向图。天线可获得3种不同的可重构模式,包括一个双向模式(±X方向)和两个定向模式(+X方向或-X方向)。结果表明,3种模式下天线的带宽分别为2.26~2.64 GHz,2.12~2.64 GHz,2.13~2.64 GHz,其重叠带宽为2.26~2.64 GHz,相对带宽为15.5%;3种模式下天线的带内最低辐射效率分别为90%,91%,91%,均能达到90%以上。测试的带宽分别为2.22~2.65 GHz,2.12~2.59 GHz,2.13~2.60 GHz,与仿真结果基本一致。所提出的天线具有小型化、高效率、结构简单等优点。

一种使用高次模式阻抗匹配的三频频率可重构天线设计

传统的频率可重构天线多采用电控可变元件构造馈电网络,导致设计和加工复杂。此外,电子元件的使用降低了辐射效率,使得性能不稳定。本文提出了一种采用高次模式进行阻抗匹配的机械调谐频率可重构天线。为使用固定的馈电网络进行阻抗匹配,并且不添加任何电控可变元件,该天线在两个低频频段工作于三次模以增加输入阻抗。这一设计增加了性能的稳定性,提高了辐射效率,减少了天线设计和加工的复杂度,降低了成本。天线在2.6 GHz、3.5 GHz和4.9 GHz三个5G应用波段取得了良好的谐振,辐射效率基本达到90%。

基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线

针对无人机数据链通信存在抗干扰性能差、防捕获能力弱等问题,提出了一种具有良好气动性能的基于有源超表面天线罩的窄截面方向图可重构天线。该天线由宽带平面印刷全向天线、窄截面有源超表面天线罩以及双频阻抗匹配网络组成。当超表面天线罩上二极管均截止(未加偏置电压)时,天线罩处于全透波状态,天线工作于宽带全向通信模式。当超表面天线罩特定区域二极管导通时,该区域天线罩处于全屏蔽状态,天线工作于双频定向通信模式,此时通过引入双频阻抗匹配网络显著改善天线的阻抗匹配。全向通信模式下,天线相对带宽达到44.6%,全向增益可达1.37 dBi,不圆度小于2.5 dBi;定向模式下,双频天线上下频带分别为1.4 GHz和1.8 GHz,相对带宽分别为9.1%和15.3%,最大定向增益达5.2 dBi。该天线具有窄截面、低成本等优点,能够在宽带全向通信和双频定向通信工作模式之间灵活切换,有望提高无人机抗干扰、防捕获的性能。

新型可重构分布式天线与反射面:性能分析与原型验证

可重构分布式天线与反射面(Reconfigurable Distributed Antenna and Reflecting Surface, RDARS)作为一种新型的无线通信架构,可以为无线通信系统带来显著的性能增益。基于智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)可改变电磁特性,重构了无线传播环境,为系统引入“反射增益”的设计思想,将此设计理念融入分布式天线系统(Distributed Antenna System, DAS),提出了为DAS的射频远端单元(Remote Radio Unit, RRU)赋予反射功能的新型RDARS架构。利用控制电路,RDARS中的每个单元可灵活切换“反射态”与“连接态”。低功耗的“反射态”单元反射信号为无线网络引入“反射增益”,“连接态”单元发射或接收信号获得“分布式增益”。基站与RDARS的联合设计可适配不同的通信需求,实现性能与功耗之间的平衡并显著提升系统性能。通过理论分析、仿真与原型验证,结果验证了RDARS能显著提升系统性能,在未来6G无线通信系统中具有巨大应用前景。

可重构分布式天线和反射面辅助的集成传感和通信系统演绎

集成传感和通信系统(ISAC)是一种通过赋予无线通信传感能力来升级物理系统的解决方案,我们开发了一个可重构分布式天线和反射面(RDARS)辅助的集成传感和通信(ISAC)系统原型。该原型采用可编程元件,根据需求动态调整工作模式,优化信号传输和传感性能。用户定位功能可靠,且不会对通信速率造成影响。系统可应用于室内导航、智能交通等领域,并展示了在6G系统中的潜在应用,为未来需要同时进行通信和传感的应用提供了重要的技术支持和创新思路。

基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线

本文设计了一种基于石墨烯片的频率可调太赫兹天线,采用了折叠缝隙结构并使用共面波导馈电方式,以更好地实现阻抗匹配.通过调控在缝隙之间添加的4个石墨烯片的电导率,改变缝隙天线的等效长度,使天线在两种不同工作模式下的谐振频率分别为230.5 GHz和270.5 GHz.除此之外,在天线下方加载了方形封闭谐振环(Closed-Ring Resonator,CRR)构成的超表面,并使其谐振频率与天线的谐振频率匹配,将z轴负方向的辐射进行反射,使天线在两种工作模式下的增益提高至5.41 dBi和7.63 dBi,与无反射结构时相比分别增长2.48 dBi和3.55 dBi.

无线传感器网络中基于可重构天线的谐波上行链路调制器

在民用航空器电台检查中,无线传感器网络的能源供给问题亟待解决。本文提出了一种基于可重构宽带缝隙天线的新型上行链路调制器结构,实现了低功耗谐波上行通信,降低了信息发射功耗。该结构充分利用整流器产生的二次谐波作为上行载波,通过上行基带信号对可重构宽带缝隙天线进行动态偏置,实现对载波的幅度调制。上行链路调制器的工作频率为2.45 GHz,在-20 dBm的射频输入功率下,仅采用10μA的调制电流进行通信,减少了节点的信息发射功耗,并且基带信号的调制几乎不影响整流器的转换效率,展示了该调制器的成功应用。该结构具有低成本、低功耗、易集成等优点,在民航无线传感器网络中具有良好的工程应用前景。

一种低剖面频率可重构天线的设计与研究

针对目前频率可重构天线存在的尺寸较大、频率可调范围不足、带宽窄且难以同时覆盖5G/WiMAX/WLAN等常用频段的问题,提出一种结构新颖的频率可重构天线,共有3种工作状态,可分别工作在5G/WiMAX/WLAN频段,天线的尺寸仅为26mm×32 mm×1 mm,更加适合用于小型移动通信设备。该天线通过结合一个新的辐射贴片元件以及开槽和开关来实现天线不同工作模式的切换。整体结构可分为微带贴片天线和直流偏置电路2部分,直流偏置电路由4个二极管构成的2组开关SW1、SW2和直流偏置线组成,通过对SW1和SW2的控制,天线可以在宽带和2种双频状态下工作,宽带工作频段为3.04~5.54 GHz,一种双频工作频段分别为2.86~3.50 GHz、5.09~6.17 GHz,另一种双频工作频段分别为2.98~3.84 GHz、4.61~5.88 GHz。对天线模型实物加工并进行了实测。优化测试表明,天线可以在宽带模式和2个双频工作模式下正常工作,且天线的可重构特性使其能在5G/WiMAX/WLAN不同通信频段下切换工作模式,适合用于5G/WiMAX/WLAN信号源聚集的复杂通信环境。

一种双频四模极化可重构天线

极化可重构天线是一种极化状态可切换的新型天线,它具有减少系统中天线数量、利于频率复用等优点.本文基于模式可切换馈电网络,提出了一种具备两个工作频带(1 GHz和2.1 GHz)和四种极化状态(0°和90°线极化和左、右旋圆极化)的直流偏置电压数量较少的双宽带极化可重构微带天线.双频比可实现范围为1.7~3.5.本文详细介绍了双频可切换馈网和天线的设计过程.本文在分支线耦合器的基础上加载4个开路枝节和12个二极管,通过切换二极管状态使馈网输出信号幅度和相位可以在四种模式之间切换,从而满足四种极化状态的激励条件;并且基于参数分析,提出了调节双频比和提高轴比带宽的方法.天线方面,本文在双层L探针贴片天线的基础上设计了一种准同轴去耦结构和一种T形结匹配结构.仿真结果表明天线具有良好的双频双极化性能.最后,对馈电网络和天线的整体进行了仿真和加工实测.实测结果表明,该天线在0.94~1.07 GHz(13%)和1.99~2.27 GHz(12.6%)两个较宽的频带内仅用2个直流偏置电压(不包括地板电位)就实现了四种极化状态的切换,低、高频带内线极化状态的法向增益分别为7.6 dBi和7.3 dBi,圆极化的法向增益分别为6.3 dBic和5.9 dBic.本文设计的双频四极化可重构天线为RFID系统、WLAN系统和卫星导航系统提供了新的解决方案.

基于忆阻器的可重构天线设计

设计了基于忆阻器的频率可重构贴片天线及多电磁参数可重构的宽带交叉偶极子天线。基于忆阻器实际物理特性设计了忆阻器Spice模型,将忆阻器作为开关器件嵌入于贴片天线及偶极子天线中,通过低频基带信号来为开关器件施加偏置电压,将其作为载波调制器从而对天线进行调制。联合仿真结果显示,贴片天线频率的调节范围在PIN二极管关闭状态下为3.26~3.71 GHz,导通状态下频率的调节范围为2.63~3 GHz;交叉偶极子天线可切换为左旋圆极化或右旋圆极化,且在每种状态下,天线都有三个可切换的工作频带,且均具有良好的带宽性能。仿真表明忆阻器在可重构天线设计中可替代传统半导体开关器件,且忆阻器作为新型无源器件,在天线智能化小型化上具有更大的设计前景。

基于免疫算法的多频可重构微带天线设计

频率可重构天线可以在宽频带或者超宽频带范围内改变频率而以近似相同的方向图进行工作,这对当前许多移动通信系统天线的小型化具有重要意义。介绍了免疫算法的机理,通过将1个简单的矩形微带贴片天线划分成若干小的贴片元,并应用免疫算法优化求解响应于需求的最合适的二进制序列(对应就是小贴片的存在与否的情况)来控制天线的可重构特性,设计出了1种可以在8～17GHz范围内实现频率捷变的天线可重构方案,使天线在很宽频率范围内能够实现了多频或双频可重构。

可重构天线的研究现状与发展趋势

可重构天线作为一种新型的天线,与传统天线相比具有尺寸小、重量轻、利于实现分集等优点和广阔的发展前景。回顾了可重构天线的发展历程,总结了近年来国内外关于可重构天线的最新研究成果,并从可重构天线的功能、使用的关键器件、设计方法与电路特点等方面对其研究现状进行了深入分析。从多个角度给出了可重构天线的分类与总结,并就可重构天线的设计方法与电路特点进行详细论述和举例说明。最后对可重构天线的发展趋势进行了展望。

可重构天线的研究进展

对可重构天线的研究进展作了比较全面的讨论。介绍了一些典型的可重构天线结构形式。通过改变天线的内部结构或尺寸改变天线的电流分布,从而改变天线的工作特性,这样就可实现天线的重构。大部分天线是通过开关来改变其结构或尺寸的。可重构天线按功能一般可分为3类:频率可重构天线、方向图可重构天线及频率和方向图可重构天线。

小型化微带缝隙可重构天线

提出了一种小型化频率电调微带缝隙天线,通过在螺旋缝隙上加载PIN开关二极管,实现了良好的频率可调特性.谐振缝隙采用平面螺旋结构,天线结构更加紧凑,尺寸较传统直缝隙天线减小了40%.由于开关直接加载于辐射很弱的螺旋非辐射缝隙,天线电调特性对开关性能的敏感程度显著降低,更容易实现频率重构特性.

一种小型化五频段可重构蝶形天线的设计

提出了一种新型多频段可重构天线.该天线采用小型平面蝶形结构,尺寸为35.0mm×38.0mm×1.6mm,由U型馈电带线、矩形寄生单元和接地面构成.通过调节馈电带线的长度和选择寄生单元,改变天线的局部结构和表面电流分布,从而获得不同的工作频段.该天线可在1.94～2.22GHz、2.32～2.54GHz、3.08～3.78GHz、3.63～4.83GHz、4.82～6.85GHz五种频段之间实现可重构,覆盖了主要的无线通信系统工作频段,各个状态具有良好的全向辐射特性和较高增益.因此,具有较大的实用价值.

一种新型的双频段圆极化可重构微带天线

在移动终端的狭小受限空间内,如何有效地利用频率资源、空间资源,提高通信系统的传输容量是研究热点,设计性能良好的可重构天线是一种有效手段。本文采用多环缝隙结构设计了一种新型的双频段圆极化可重构天线。它在MEMS开关的控制下,可在4.9GHz和5.8GHz两个频率上同时实现左旋和右旋圆极化,两个频带的相对带宽分别达到11.2%和13.8%,很好地实现了圆极化可重构天线的双频带特性,能够满足移动通信对多频技术的需求。

基于分形概念的方向图可重构蝶形天线设计

可重构天线作为一种新型天线,与传统天线相比,具有体积小、功能多样、易于实现分集应用等特点,成为近年来研究的热点。应用了分形概念,通过对三阶Hilbert曲线进行几何变换,设计出一种新型的方向图可重构蝶形天线。给出了仿真与测试的回波损耗和辐射方向图。结果显示:天线在xoy平面上的两个主波瓣分别偏转了88°和60°,天线方向图对xoz平面发生反向偏转。

带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线设计

提出了一种新的带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线。天线主要由位于中心的圆形贴片和周围环绕的五个带U型槽的扇环形寄生贴片组成。该天线工作在5.5GHz WiMAX(全球微波接入互操作性)波段范围内,在谐振频率点具有较好的阻抗匹配特性。通过控制开关,天线可以在θ=45°的面内实现五种定向方向图变化。计入方向图增益及波瓣宽度,可以实现波束全向覆盖。天线方向图的旁瓣和后瓣较小,主瓣方向最大增益可达6.3dB,定向辐射特性显著,具有较强的抗干扰能力。该天线尺寸小、剖面低。还分析了一些重要结构参量对天线性能的影响。天线的仿真与测试结果具有较好的一致性。

基于极化可重构天线的天线选择方案

天线选择是降低多天线通信系统的硬件复杂度以及改善空域相关性能的有效途径,但对于天线安装空间受限的小型终端,天线的数目将受到很大限制,从而制约了天线选择算法的实施.本文提出一种基于极化可重构天线的天线选择方案,该方案具有紧凑的天线结构和低复杂度的选择算法,适合于小型移动终端使用;通过理论以及数值仿真实验,证明了该方案能明显提高系统性能.