智能天线的新军——自组构天线

徐立勤　彭涛

(南京邮电大学电子科学与工程学院,南京 210003)



智能天线的新军——自组构天线

徐立勤彭涛

(南京邮电大学电子科学与工程学院,南京 210003)

摘要自组构天线凭借其能够根据所处的电磁环境来改变自身的电形状这一特性,已成为当今智能天线研究领域的一大热点.文中介绍了自组构天线的概念模型,详细分析了三种常用的自组构天线的工作原理,对未来自组构天线的应用和发展方向进行了具体的讨论.

关键词自组构天线;贴片天线;环天线;缝隙天线

DOI10.13443/j.cjors.2015032001

New force of smart antenna: self-structuring antenna

XU LiqinPENG Tao

(SchoolofElectronicsScienceandEngineering,NanjingUniversityofPostsand

Telecommunications,Nanjing210003,China)

AbstractSelf-structuring antenna has become one hotspot in current research of smart antenna due to its ability to change the electrical shape itself with the change of the environmental conditions.In this paper, the concept of self-structuring antenna is presented firstly, then three kinds of self-structuring antenna are exhibited to analyze their working principle. Finally, application and prospect of self-structuring antenna are discussed in detail.

Keywords self-structuring antenna; patch antenna; loop antenna; slot antenna

引言

大多数天线都只能工作在一种特定的电气环境条件下,它们可以在特定频率范围内工作或具有特定的方向图,一旦频率范围改变了,或者辐射方向不同了,就需要重新调整天线物理结构.很多时候,设计者必须设法降低诸如增益、带宽、电压驻波比或效率的性能,以满足对物理尺寸、重量、成本、可制造性等的限制要求.因此,这些天线本身很难通过调整自身物理结构来适应变化的环境.自组构天线(Self-Structuring Antenna,SSA)作为一种新型的自适应天线,能够根据外部环境和信号条件改变它自身的电结构,不需要改变其物理结构就可以达到设计要求.目前,自组构天线凭借这种独特的优势,已成为当今天线研究领域中的一大热点.

1自组构天线及其工作原理

作为一种智能天线[1],自组构天线也需要借助相应的控制电路来实现改变自身电结构的功能，如图1所示,一个典型的自组构天线系统包括了一副自组构天线,信号反馈传感器,一个小型微处理器和控制线路.作为自组构天线的核心——天线,是由许多辐射单元组成,这些辐射单元可以是导线、贴片、缝隙以及其他形式,它们通过电子控制的开关连接在一起.当自组构天线需要改变自身电结构时,并不是要天线的位置或形状的改变,而是改变天线样板上各个部分之间的连接开关,从而改变天线的电结构.通过从传感器上得到的反馈信号,天线结构被重新调整以满足一个或多个优化目标.通过求解优化问题,自组构天线可以从百万种甚至更多的可能的天线形状中快速查找最佳状态.当优化问题的计算规模太大时,有些文献建议采用遗传算法、蚁群算法等智能优化方法[2-3].一旦传感器接收到从天线传过来的反映天线自身特性的参数(如反射系数或是电压驻波比)时,就会把这个参数反馈给微处理器.微处理器把反馈的信号和目标值进行比较,若比目标数值差,就发出指令改变开关的工作状态,从而改变天线的结构,以达到要求的电性能.

图1　自组构天线系统示意图

下面,分别对目前三种常用的自组构天线的工作原理进行详细的介绍.

1.1贴片结构自组构天线

微带贴片天线由于具有易于设计,制作成本低廉,可用于大规模制造等优良特性,被广泛应用于现代天线设计.自组构贴片天线以基本的微带贴片天线作为模型样板,通过在介质基片中加入短路针的方法设计出天线自组构的特性[4].短路针被放置在金属贴片和金属接地板的中间,此时它就像天线结构中的开关一样,可由计算机控制是否连接或者断开.这样由不同数量组成的短路针阵列就变成了一种组合电路,每一个短路针对应着一个二进制的开关.开关有断开和闭合两种状态,具有N个短路针开关的贴片天线就可以有2N种状态.这2N种状态对应着不同的天线结构,以及不同的天线内腔的电磁场分布,因而具有不同的天线辐射特性.用遗传算法搜索,从这些状态中找出最合适的作为自组构贴片天线的一种工作状态.由于能够组合出的结构繁多,除了在搜索算法上提出改进以外,自组构贴片天线短路针安放的位置也很重要.为了能够最大化地减小算法搜索时重复的天线结构,天线短路针阵列被设计为一种不对称的样式,这也是自组构天线结构的一大特点.

劳动(Labour)：创造价值并且只能在量上被计算的劳动。[注]Fuchs, Christian,Digital Labour and Karl Marx, New York: Routledge, 2014, p.26.

图2　自组构贴片天线

通过在微带贴片中插入一些数量的短路针,自组构贴片天线可以弥补传统贴片天线的缺点.相比于工作在单个频率的传统贴片天线,自组构贴片天线可以获得更低的回波损耗和略窄的瞬时带宽,这是因为自组构天线的贴片尺寸相对较大,从而导致一大部分能量储存在贴片内部.另外,自组构贴片天线还可以调节自身电结构,以获得工作在不同频率上的能力,或是同时工作在两个甚至多个频率上的能力.对于工作在双频段或多频段模式下的自组构贴片天线,可以通过改变短路针的开关状态,从而选择合并天线邻近的两个或者多个工作频点,增大天线的工作带宽.例如当选择邻近的四个工作频点进行合并优化时,自组构贴片天线的-10 dB带宽大约为15.3%,是传统贴片天线的3倍,这样自组构贴片天线可以转化为一种宽带天线.

1.2矩形对数周期结构自组构天线

这种结构的自组构天线是Edward J. Rothwell博士在密歇根州立大学提出的最初模型[5].天线样板是由大大小小的矩形环构成,总体呈非对称的周期结构.样板中包含23个可控开关,对应着223种天线状态,这些开关可由外部连接的微处理器控制,通过细导线连接,最后裱在一块介质板上,介质板的背面则是开关的控制电路.矩形对数周期自组构天线在结构上应该属于电大尺寸的方环线天线,因此天线的一些辐射特性和环天线类似.由于在自组构天线内部存在大量的开关以及控制电源线,这对于传统结构的天线而言将会大大增加其电磁耦合影响.然而在实测过程中却发现矩形对数周期结构的自组构天线的驻波比在整个工作频带内几乎都很小,这是因为自组构天线能够在自身环境中利用与周围结构(诸如控制线和电源线)的电磁耦合作用提高馈线匹配程度,这种天线特性使得矩形对数周期结构的自组构天线特别适合应用于汽车、飞机等交通工具中.另一方面,当矩形对数周期自组构天线作为接收天线时,无论是在水平方向还是垂直方向旋转天线几乎都可以获得很强的接收信号,表现出其良好的全向性特点.

图3　矩形对数周期结构SSA

1.3互补结构自组构天线

互补自组构天线[6](Complementary Self-Stru-cturing Antenna,CSSA)是一种具有对称结构的自组构天线.与前两种自组构天线不同,互补结构的自组构天线是通过在一块金属表面上开槽以产生电磁辐射信号.由于这些缝隙的位置和形状与环形结构中的金属导线有着类似的互补关系,所以被称为互补式自组构天线.此种天线具有32个可控开关横跨安置在缝隙上,共存在232种(约为40亿种)可能的天线状态.

互补式自组构天线的一大用途是安装在汽车车顶上做为FM频段接收天线[7].多年以来如何将传统天线设计耦合到汽车结构中一直是令汽车生产厂家十分头疼的问题,由于车载天线的电磁环境受到各种结构之间耦合的影响,汽车设计者需要耗费大量的时间和精力来寻找出最佳的设计方案[8].然而互补式自组构天线的出现很好地解决了这个问题,当互补式自组构天线安装在汽车的顶部时,其在30 MHz到300 MHz频段的电压驻波比可以降低到2以下,辐射效率相比于没有与车辆耦合的情况上升到了80%以上(单独放置的自组构天线由于工作频段的缘故处于电小结构,辐射性能大大降低),整个天线表现出在FM频段上良好的工作能力.当天线水平放置时,模板上的缝隙在法线方向上可以产生出垂直极化的电磁波,并且由于天线整体结构的对称性,方向性图十分均匀.同时互补式自组构天线也具有多频段共同工作的能力,因此一副单独的自组构天线就可以代替多副工作在不同频段的鞭状车载天线.另外相对于传统车载天线,互补式自组构天线可以安装在汽车前窗、后窗以及车顶上,这样的设计不仅可以大大增加汽车的美观,还能减小一部分汽车阻力.在军用车方面,采用互补式自组构天线可以使车辆更为隐蔽,一定程度上保护了车辆内人员的安全.

图4　互补结构SSA

2自组构天线未来的应用方向和展望

1) 自组构天线有单频段工作和多频段工作两种工作模式.当天线工作在单频模式的时候，自组构天线可以分别在每个频率上进行优化,从而在每个频率上获得最佳接收信号.当天线工作在多频段模式时,自组构天线可以具有8～10个工作频点,在每个工作频点上都能够达到电压驻波比小于1.3的要求.这样使得自组构天线可以轻松代替多个传统天线的工作.

2) 从最初的天线模板中可以看出,自组构天线通过选择合并相邻的工作频点方法可以在近10 GHz频率带宽上获得小于1.3的驻波比,在理论上通过这种方法能够达到超宽带天线的标准.所以自组构天线有一个很宽的带宽,很适合作为高传输速率移动通信天线.

3) 自组构天线是一种新型的自适应天线,它能够快速适应自身所处的外部环境.对于一般的移动通信天线,其所处的环境是复杂的、不断变化的,由此形成的天线环境将会产生多径阴影和衰落[11],衰落的严重性直接决定着通信质量的好坏.自组构天线可以根据传感器反馈过来的信号分析多径干扰的强度,从而调节自身的结构最小化以减小多径衰落.

4) 传统的车载天线必须针对每种车型分别进行设计,以适应各种车辆的形状、大小以及不同天线位置.而智能自组构天线可以根据所处的环境,自主选择天线模板中开关的工作状态,从而找到一个合适的天线结构去匹配车身,甚至可以利用天线与车辆之间的耦合作用改善天线的性能.并且智能自组构天线在查找最佳天线结构所需要的时间也很短.因此自组构天线特别适合安置在车辆上和小型的个人移动通讯设备上,这也是自组构天线未来发展的主要方向.

5) 在一些空间狭窄并且需要有多个天线的环境中,天线之间的干扰和各种各样电子系统之间的干扰所产生的电磁兼容问题一直都是不可避免的.自组构天线能够用干扰信号作为优化处理器的输入,从而减轻干扰,增加信号的强度.

6) 作为一种新型的智能天线,自组构天线具备在恶劣环境中工作的能力.当我们需要在系统中安装天线时,自组构天线可以立刻适应它所属的环境.另外,当天线被破坏受到损伤时,自组构天线多频段工作的特性足以保证它正常通讯,不受外界情况的干扰.从这方面来说自组构天线也算得上是一种生命力顽强的天线,十分适合运用在环境恶劣的任务中.

7) 自组构天线可以通过改变自身电结构进而改变其辐射方向图,这在某些情况下是具有重要意义的，比如在方向测定的时候,首先需要一个已知方向性的天线来确定其指向.虽然自组构天线的方向图信息一般不是预先知道的,但是我们能够通过放在天线附近的传感器来获取不同状态下天线方向性图.根据在各个最大辐射方向的方向性图,人们可以很容易地进行波束扫描完成定向的目的.相比于传统的可重构天线[12]或相控阵系统[13],自组构天线则不需要前期的工程测试和开销成本.微处理器的状态数据库能够储存大量的带有方向图信息的天线结构.

3结论

随着科技的进步与发展,工程上对天线的要求越来越苛刻,而自组构天线凭借其独有的自适应能力和宽带化、多频化等优点,在当今的智能天线中扮演着举足轻重的地位.但是整体结构的复杂(自组构天线需要一整套系统才能有效工作)是导致自组构天线没有被广泛应用的一大因素.本论文仅仅是对自组构天线进行了初步的探讨,更多关于自组构天线的研究与应用还有待于探索和实践.

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徐立勤(1963-),女,江西人,南京邮电大学副教授,硕士生导师，主要研究无线通信中的各种关键技术、无线通信中的电磁兼容理论和技术,超宽带无线通信技术、无线信道及其电波传播理论与技术、无线通信干扰及其兼容性技术等.

彭涛(1990-)，男,江苏人,南京邮电大学硕士研究生，主要研究方向为移动通信与射频技术.

驱动创新·融合发展

Driving Innovation·Fusion Development

作者简介

中图分类号TN82

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)01-0199-05

收稿日期：2015-03-20

徐立勤, 彭涛. 智能天线的新军——自组构天线[J]. 电波科学学报,2016,31(1):199-203. DOI: 10.13443/j.cjors.2015032001

XU L Q, PENG T. New force of smart antenna:self-structuring antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):199-203. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015032001

联系人： 彭涛 E-mail：pengtao112233@126.com