應(yīng)用于筆記本上的可重構(gòu)MIMO天線

1 引言

天線作為一種用來發(fā)射或接收無線電波的部件，在無線通信系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用，是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。為了克服天線對整個通信系統(tǒng)發(fā)展的制約，可重構(gòu)天線作為一種新型的天線起到了重要的作用，其研究旨在通過改變天線的某些特性參數(shù)，使天線能夠根據(jù)實際需要實時重構(gòu)天線。

應(yīng)用于筆記本上的可重構(gòu)MIMO天線

可重構(gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)天線、方向圖可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過改變可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或幾種實現(xiàn)重構(gòu)。這樣可以通過切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現(xiàn)多種有效的分集。

2 可重構(gòu)天線的實現(xiàn)

2.1 頻率可重構(gòu)天線的實現(xiàn)為了避免暴露目標(biāo)，提高抗干擾能力，通常要求天線具有多頻工作能力，如何將工作在不同頻率而輻射特性相近的多副天線通過重構(gòu)的方法集中到同一天線口徑當(dāng)中是頻率可重構(gòu)天線研究設(shè)計的主要目標(biāo)。

頻率可重構(gòu)天線的工作頻率在一定的頻率范圍內(nèi)具有離散或連續(xù)可調(diào)特性，而天線的輻射方向圖基本保持不變。目前頻率可重構(gòu)天線實現(xiàn)的頻率可調(diào)常用的方法包括通過在天線上加載開關(guān)器件，從而動態(tài)改變天線的諧振長度；使用可變電容，即通過偏置電路調(diào)節(jié)電容兩端的偏壓可改變電容量的大小，這便可以使天線的工作頻率隨之變化。當(dāng)然，對于不同類型的天線也有其他的實現(xiàn)頻率可重構(gòu)的方法。

文獻(xiàn)[1]提出的頻率可調(diào)微帶貼片天線如圖1 所示，其介質(zhì)基片是由空氣和玻璃組成的雙層結(jié)構(gòu)?？諝鈱雍穸萪 可以通過機(jī)械裝置改變。隨著d 的改變，整個基片的等效介電常數(shù)也隨之改變，導(dǎo)致天線的諧振頻率改變,即實現(xiàn)了頻率的可重構(gòu)。文獻(xiàn)[2]提出的頻率可重構(gòu)微帶天線是通過開關(guān)器件來改變天線的電流路徑，其示意圖如圖2 所示。在天線的輻射貼片上開槽，槽的中央位置加載PIN 二極管，通過控制開關(guān)器件來改變天線的電流路徑，實現(xiàn)天線頻率可重構(gòu)特性。

圖1 介質(zhì)基片可調(diào)的頻率可調(diào)天線

圖2 可切換縫隙天線結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 方向圖可重構(gòu)天線的實現(xiàn)

在工程中，通常要求天線具有輻射方向圖可變的特性，而傳統(tǒng)的相控陣天線的饋電系統(tǒng)十分復(fù)雜，天線陣陣元間的距離比較大，整個系統(tǒng)的加工制作成本隨著工作頻率的增大急劇增加，因此研究方向圖可重構(gòu)天線是十分必要的。方向圖可重構(gòu)天線可以適時改變天線輻射方向，而其工作頻率基本保持不變。重構(gòu)天線方向圖的主要手段是通過控制天線表面電流的分布情況，進(jìn)而改變天線的輻射方向。方向圖可重構(gòu)天線的具體實現(xiàn)包括以下幾種形式：

天線采用多饋點饋電，通過改變各個饋點的相位來改變天線的輻射方向；

采用Yagi 陣，在主輻射單元附近的寄生單元中加入開關(guān)或電抗可調(diào)器件；

用開關(guān)器件選通方位不同的天線輻射體等方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種方向圖可重構(gòu)的寬帶印刷漸變縫隙天線，其中微帶到槽線的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖3 所示，在槽線的合適位置加入PIN 二極管，通過控制PIN 二極管的通斷，選通方位不同的天線輻射體，來達(dá)到實現(xiàn)方向圖重構(gòu)的目的。文獻(xiàn)[4]提出的方向圖可重構(gòu)天線采用多饋點饋電，饋電點沿圓環(huán)均勻分布，如圖4.1 所示。通過饋電網(wǎng)絡(luò)使3 個饋電點產(chǎn)生不同的相位延遲，從而引起輻射方向圖發(fā)生變化，實現(xiàn)了方向圖的可重構(gòu)。

圖3 微帶到槽線轉(zhuǎn)換圖

圖4 環(huán)形天線示意圖

2.3 極化可重構(gòu)天線的實現(xiàn)隨著日益復(fù)雜的電磁通信環(huán)境，無線電信號的多徑衰落效應(yīng)對目前許多無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。利用極化可重構(gòu)天線不僅可以消除多徑衰落效應(yīng)，還可以增加頻率復(fù)用。所以極化可重構(gòu)逐漸成為可重構(gòu)天線研究的一個熱點。極化可重構(gòu)天線在改變極化方式的同時，工作頻率和輻射方向圖基本保持不變。按極化方式分類，目前的極化可重構(gòu)天線大體分為三類：極化正交的兩個線極化方式之間的切換；兩個圓極化方式之間的切換；左、右旋圓極化以及線極化之間的切換。

極化可重構(gòu)的主要方法包括：對饋電系統(tǒng)加載可變電抗或者切換饋電位置，產(chǎn)生不同工作模式的相對相位差；或在天線的合適位置刻蝕縫隙，通過對縫隙中的開關(guān)的控制，改變天線電流的流動路徑，以產(chǎn)生相位差等。文獻(xiàn)[5]提出的可切換圓極化可重構(gòu)微帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示，天線單元上連接了2 個壓電換能器（PET），2 個電介質(zhì)振片分別與PET 相連，通過按下一個PET 抬起另一個PET 來達(dá)到實現(xiàn)左旋和右旋圓極化切換的目的。文獻(xiàn)[6]提出的極化可重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)如圖6 所示。通過在天線表面刻蝕2 個相互垂直的縫隙，在縫隙的合適位置分別放置PIN 開關(guān)二極管，通過控制PIN 二極管的通斷，可分別實現(xiàn)左旋和右旋圓極化。

圖5 微帶天線示意圖

圖6 圓極化可切換天線

2.4 混合可重構(gòu)天線的實現(xiàn)前面介紹的三類可重構(gòu)天線是可重構(gòu)天線研究的熱點，但是它們有一個共同的特點，就是只對天線的一種特性參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，而保持其他的特性參數(shù)不變。然而，在實際應(yīng)用中，有時候則需要能夠?qū)μ炀€的幾種特性參數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，這就是多種參數(shù)重構(gòu)天線出現(xiàn)的目的?；旌峡芍貥?gòu)天線是根據(jù)實際需求，對天線的頻率、方向和極化方式進(jìn)行2 個或者兩個以上特性參數(shù)的重構(gòu)?；旌峡芍貥?gòu)天線的設(shè)計相對比較困難，其設(shè)計方法主要是結(jié)合頻率可重構(gòu)天線、方向圖可重構(gòu)天線以及極化可重構(gòu)天線的設(shè)計方法。多參數(shù)可重構(gòu)天線的工作靈活有效，在應(yīng)用中可獲得多種有效的分集作用，具有極大的實際應(yīng)用價值。文獻(xiàn)[7]提出的雙頻雙極化的可控槽縫貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。該天線由帶縫隙的微帶貼片天線和一個開關(guān)組成，當(dāng)開關(guān)斷開時，天線的諧振頻率較低，實現(xiàn)右旋圓極化；當(dāng)開關(guān)閉合時，天線的諧振頻率較高，實現(xiàn)左旋圓極化。路的改變來影響天線的諧振頻率，從而實現(xiàn)了天線在頻率和方向圖的同時可重構(gòu)。

圖7 可控槽縫貼片天線示意圖

3 可重構(gòu)天線的關(guān)鍵技術(shù)

可重構(gòu)天線作為一種新型的天線，由于其本身存在的諸多優(yōu)點逐漸吸引了眾多研究人員的廣泛注意，然而我們對其的認(rèn)知仍然存在著不足，有諸多方面等待著我們進(jìn)行深入的探索與研究。首先，深入研究可重構(gòu)天線的體系結(jié)構(gòu)，探討更多的可重構(gòu)天線的方案至關(guān)重要。目前可重構(gòu)天線大多是基于單個天線的重構(gòu)，無論從何種角度而言，單個天線的性能終究不如陣列的性能強大，所以對于可重構(gòu)的陣列天線需進(jìn)一步的探討；

此外，目前大多數(shù)的可重構(gòu)天線大都是基于微帶天線構(gòu)建的，我們有必要擴(kuò)展更寬的領(lǐng)域來達(dá)到可重構(gòu)的目的，分形天線正成為滿足未來產(chǎn)品要求的一種有效方法，經(jīng)典的分形天線諸如Koch 單極天線、Hilbert 分形天線等，分形天線結(jié)構(gòu)具有多頻特性，因此具有頻率可重構(gòu)的潛力，與此同時它能夠有效的達(dá)到尺寸衰減以及RCS 衰減的目的，可廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)之中。

所以，我認(rèn)為開發(fā)基于分形天線的可重構(gòu)天線，甚至基于分形天線陣列的可重構(gòu)天線是非常有意義的。其次，開發(fā)水平更高的可重構(gòu)天線仿真工具，探索更有效的優(yōu)化算法?？芍貥?gòu)天線的優(yōu)化算法有很多，諸如遺傳算法（GA）、蟻群算法（ACO）、粒子群算法（PSO）等。PSO 算法是一種基于群智能方法的進(jìn)化計算技術(shù)，與遺傳算法相比，具有思想簡單且容易編程實現(xiàn)的優(yōu)點，同時又有深刻的智能背景，既適合于科學(xué)研究，又適合于工程應(yīng)用。

最后，可重構(gòu)天線的技術(shù)發(fā)展很大程度上依賴于射頻開關(guān)技術(shù)的發(fā)展。目前較為常用的開關(guān)有MEMS 和PIN 二極管開關(guān)。MEMS 開關(guān)具有理想的開關(guān)特性，開關(guān)比非常高，功耗低，接入電路中插損極小，采用CMOS 工藝制作，體積小，重量輕，便于集成，然而它的缺點是響應(yīng)速度稍慢，所以在要求響應(yīng)速度的地方，可以采用PIN 二極管開關(guān)，但它的隔離特性不如MEMS 開關(guān)，而且功耗大?；谝陨峡紤]，研究性能更好的射頻開關(guān)至關(guān)重要。

4 總結(jié)

本文在參考近些年來國內(nèi)外對可重構(gòu)天線最新研究成果的基礎(chǔ)上，從可重構(gòu)天線的功能、分類、實現(xiàn)方法進(jìn)行了總結(jié)，最后對可重構(gòu)天線的發(fā)展方向進(jìn)行了概述?？偠灾?，相對于傳統(tǒng)天線而言，可重構(gòu)天線具有諸多優(yōu)點，且具有相廣闊的發(fā)展空間，所以對于可重構(gòu)天線的研究至關(guān)重要。

延伸閱讀：

可重構(gòu)天線的概念提出于20世紀(jì)60年代?？芍貥?gòu)是指多天線陣列中各陣元之間的關(guān)系是可以根據(jù)實際情況靈活可變的，而非固定的。它主要是通過調(diào)整狀態(tài)可變器件，實現(xiàn)天線性能的可重構(gòu)。

上海貝嶺專利產(chǎn)品：發(fā)明提供了一種輻射方向圖可重構(gòu)的平板天線，包括：基板；接地板，其位于基板的中央?yún)^(qū)域，并且工作在主反射器模式下；多個驅(qū)動單元，其對稱并且徑向分布在接地板周圍；多個寄生元件組，每個寄生元件組包括引向器與反射器，并且引向器與反射器依照驅(qū)動單元的位置分布在基板的外側(cè)。本發(fā)明的天線具有如下優(yōu)點：體積小、制造精度高、成本低，饋電網(wǎng)絡(luò)較為簡單并且阻抗匹配性能更好，RF能量傳送能力較高。

可重構(gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)天線( 包括實現(xiàn)寬頻帶和實現(xiàn)多頻帶) 、 方向圖可重構(gòu)天線 、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過改變可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率、波瓣圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或幾種實現(xiàn)重構(gòu) 。因其具有體積小、功能多、易于實現(xiàn)分集應(yīng)用的優(yōu)點，已經(jīng)成為研究熱點。一般而言，可重構(gòu)天線的設(shè)計忽略了發(fā)射和接收機(jī)端復(fù)雜的信號形成和處理過程，其研究的重點在于天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。

研究背景

隨著現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，為實現(xiàn)通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、警戒、武器尋的等目的，飛機(jī)、輪船、衛(wèi)星等所需的天線數(shù)量越來越多。這使得平臺上所負(fù)載的重量不斷增加，而且搭建天線所需的費用也不斷上升，同時，各天線之間的電磁下擾也非常大，嚴(yán)重影響天線的正常工作。為減輕平臺上所負(fù)載的天線重量、降低成本、減小平臺的雷達(dá)散射截面實現(xiàn)良好的電磁兼容特性，希望能用一個天線來實現(xiàn)多個天線的功能。采用同一個天線或天線陣，通過動態(tài)改變其物理結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個天線的功能，相當(dāng)于多個天線共用一個物理口徑，這種天線就稱為可重構(gòu)天線。由于技術(shù)尚未成熟，可重構(gòu)天線的理論仍然不夠系統(tǒng)，可重構(gòu)天線在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用比較少。

分類

可重構(gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)天線( 包括實現(xiàn)寬頻帶和實現(xiàn)多頻帶)、方向圖可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過改變可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或幾種實現(xiàn)重構(gòu)。這樣可以通過切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現(xiàn)多種有效的分集。

原理

可重構(gòu)天線作為一種新型的天線，之所以可以重構(gòu)天線的參數(shù)、具有可切換的不同的工作模式，其本質(zhì)就是通過改變天線的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變天線的電流分布來實現(xiàn)的。因此，可重構(gòu)天線的設(shè)計需要高效的電磁分析手段，而不是等同于多個傳統(tǒng)天線的簡單疊加 。按照可重構(gòu)的方法手段，又可以分為電子器件可重構(gòu)，機(jī)械可重構(gòu)及改變天線的材料特性三大類。按照上述分類，分別簡要闡述一下各類天線的原理。頻率可重構(gòu)天線這類天線的工作頻率在一定的頻帶范圍內(nèi)具有連續(xù)或離散可調(diào)能力，同時天線的輻射方向圖，極化特性基本保持不變。

按照頻率重構(gòu)的方式，這類天線又可分為頻率連續(xù)可調(diào)和頻率離散可調(diào)兩類。重構(gòu)天線工作頻率的方法有：加載開關(guān)，加載變?nèi)荻O管，改變天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)及改變天線的材料特性?？芍貥?gòu)天線的種類有微帶貼片天線，平面振子天線，平面倒F天線(PIFA)和微帶縫隙天線等。極化可重構(gòu)天線此類天線能夠在工作頻率和輻射方向圖不變的情況下，改變自身的極化特性。極化可重構(gòu)天線大體分為三類：極化正交的兩種線極化之間的切換；兩種圓極化之間的切換；圓極化與線極化之間的切換。

極化可重構(gòu)的主要困難在于，在實現(xiàn)極化可重構(gòu)的同時要保持天線的頻率特性的穩(wěn)定。輻射方向圖可重構(gòu)天線此類天線是在保持天線頻率和極化特性參數(shù)不變的情況下，對輻射方向圖具有重構(gòu)能力的天線。由于天線輻射結(jié)構(gòu)上的電流分布直接決定了天線輻射方向圖的特性，為了設(shè)計具有特定方向圖的可重構(gòu)天線，天線設(shè)計者必須要選擇所需要的各種電流分布，以及在它們之間切換的方法。由于這種電流與輻射方向圖之間的對應(yīng)關(guān)系，使得在保證頻率特性不發(fā)生很大改變的前提下獲得方向圖重構(gòu)特性變得十分困難。但是，通過一些巧妙的設(shè)計也能夠?qū)崿F(xiàn)具有較好頻率一致性的方向圖可重構(gòu)天線。

這其中，包括選擇特定的天線結(jié)構(gòu)，如反射面天線或寄生耦合天線，這類天線的輸入端與天線結(jié)構(gòu)的重構(gòu)部分有著較好的隔離，這就允許天線的阻抗特性不隨方向圖的重構(gòu)而發(fā)生較大改變。另外一種常用的方法就是利用補償?shù)姆椒ɑ蚴翘峁┛烧{(diào)節(jié)的阻抗匹配電路來保持頻率特性的穩(wěn)定。多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線混合方式可重構(gòu)天線是指對天線的工作頻率、極化方式和輻射方向圖分別具有獨立調(diào)節(jié)能力的天線，這也是可重構(gòu)天線的終極目標(biāo)。在前面我們提到，將天線的頻率特性與其輻射特性分離是可重構(gòu)天線的一個最大的難題。這種在單一天線上實現(xiàn)多種重構(gòu)功能并且互不干擾將大大增加設(shè)計的難度。但是，這種混合方式的重構(gòu)能使天線變得更加多功能化，會進(jìn)一步提升其在無線通信系統(tǒng)的作用，提高通信系統(tǒng)的性能。

移動通信應(yīng)用

在MIMO系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)于可重構(gòu)天線的研究工作大部分集中在天線設(shè)計環(huán)節(jié)，而對其在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少。隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展以及對大容量高速率通信的需求，研究者們發(fā)現(xiàn)利用天線極化和方向圖多樣性的分集接收和發(fā)射可以降低MIMO系統(tǒng)中子信道的相關(guān)性，從而提高系統(tǒng)的容量。 [4] 因此，其應(yīng)用前景廣闊。例如，下面的例子表明，可重構(gòu)天線能夠起到擴(kuò)展系統(tǒng)容量、降低初始干擾等作用。

擴(kuò)展系統(tǒng)容量為應(yīng)對數(shù)據(jù)流量的暴增，無線運營商正利用3G、LTE等技術(shù)及其他更優(yōu)越的技術(shù)來增加網(wǎng)絡(luò)容量，但同時尖端的基礎(chǔ)構(gòu)架解決方案也可用于對容量進(jìn)行優(yōu)化?？芍貥?gòu)波束的基站天線通過平衡負(fù)載、降低干擾和優(yōu)化覆蓋模式對容量需求的滿足起到了促進(jìn)作用。為了應(yīng)對峰值流量，運營商將簡單地加入更多的基站以超額建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，但折舊導(dǎo)致了昂貴的無線電基站容量的低效使用。 [5] 為此有必要采用新的方法提高基站資源利用率。因為用戶移動并不是混亂無序的，而是可預(yù)測的，所以這為可重構(gòu)天線的使用創(chuàng)造了條件。簡而言之，在工作周期間，絕大多數(shù)流量通常是在早上從各居住區(qū)向各商業(yè)區(qū)域移動，然后在商業(yè)區(qū)停留一整天，最后傍晚或晚上時返回到居住區(qū)。

可以輕易地從這轉(zhuǎn)換中捕獲到普通的流量模式，并產(chǎn)生新的無線電規(guī)劃。例如：針對上班時間的無線電規(guī)劃，白天集中在商業(yè)區(qū)域；針對上下班高峰時段的無線電規(guī)劃，覆蓋通勤者和工人；晚間或周末規(guī)劃針對用戶在家時；各規(guī)劃可以具有不同的網(wǎng)絡(luò)配置?？芍貥?gòu)波束天線能夠?qū)Ω淖冎械牧髁磕Ｊ阶鲗崟r調(diào)整，可以通過下傾波束來動態(tài)地跨一個基站的所有小區(qū)平衡負(fù)載容量，通過正負(fù)30°來改變波束的水平方向角，還可在35°到105°之間改變光束寬度。由于流量通常出現(xiàn)在各熱點區(qū)域，使得一些區(qū)域超負(fù)載因而拒絕新的呼叫，而鄰近的各區(qū)域仍未得到完全利用。由于可連續(xù)調(diào)整的波束通過三維成形，因而流量在整個網(wǎng)絡(luò)得到更均勻的分布，進(jìn)而保證了容量的有效使用。

這些三自由度也改變了天線的增益，意味著可重構(gòu)天線可以將其增益從帶有14dBi增益的105°天線改變到帶有18dBi增益的65°天線，或到20dBi增益的35°天線，從而有助于增大有高度干擾的區(qū)域的信噪比?？芍貥?gòu)波束天線的獨特三自由度有助于降低敏感的3G和4G網(wǎng)絡(luò)中的干擾以及提供最佳的可能覆蓋模式。提高性能，降低干擾網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工程師試圖為限制初始干擾挑選出最優(yōu)質(zhì)的天線，但是通常需要在具備水平波束寬度為65°或90°的天線之間作出妥協(xié)。90°天線的波束十分適合用于區(qū)域內(nèi)的信號電平，并且具備非常低的小區(qū)之間的零點（約6dB）。但是90°天線的劣勢在于，由于其水平場圖滾降不如65°天線，導(dǎo)致產(chǎn)生更大的相鄰小區(qū)重疊（約90°重疊）。

為減少區(qū)域重疊，65°天線由于能提供更好的滾降（也就是說干擾更少）而被廣泛使用。但是其在區(qū)域內(nèi)的覆蓋面不如90°天線廣闊，而且其小區(qū)之間的零點指標(biāo)也比不上90°天線。對于普通的90°水平波束天線來講，具有三自由度的可重構(gòu)波束天線采用多陣列結(jié)構(gòu)，能夠形成優(yōu)秀的場圖和水平場圖滾降特性。設(shè)置在90°水平波束寬度，可重構(gòu)定向天線實質(zhì)上結(jié)合了65°和90°天線的優(yōu)勢，形成一個優(yōu)良的場圖。