先进天线技术的研究概述

梁桐严

摘 要：移动通信、电视广播、雷达监测、导航定位等通信电子领域依赖于天线完成数据收发。超低功耗、极微细化、超高通量、混合承载是未来天线设备发展的重要趋势。为此，本文将对先进天线技术进行研究和分析，归纳当前天线技术在不同行业中的用途，分析不同材料的天线特性，最后总结不同的天线结构性能。

关键词：雷达；柔性天性；半导体；圆极化；共面波导

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）11-0075-02

天线，是能将承载信息的无线电信号通过馈电方式完成在物理空间的转换。移动通信、电视广播、雷达监测、导航定位等通信电子领域依赖于天线完成数据收发。2016年我国手机终端需求预计超过3亿部，这就意味天线设备市场发展的一个重大市场机遇。超低功耗、极微细化、超高通量、混合承载是未来天线设备发展的重要趋势。宽带定向性贴片天线、截面微带天线、空间可展开天线、波导缝隙天线、平面近场天线等新型天线技术和结构的提出，能够有效的提高电磁转换效率，使得天线技术的研究能够逐渐形成覆盖多行业、多材料、多结构的研究领域。本文将对先进天线技术进行研究和分析，归纳当前天线技术在不同行业中的用途，分析不同材料的天线特性，最后总结不同的天线结构性能。

1 前沿天线的多行业复合应用

1.1 雷达天线应用分析

雷达天线主要应用于探地、气象、火炮、船舶等多种场景。针对探地应用，武汉大学李太全提出一种探地雷达天线系统的设计、实现与优化方法[1]，分析了探地雷达的探测性能与天线系统结构之间的关系，通过求解信号特征对时间与空间的中心差商，分析全向无波速角度天线的电磁波脉冲频率和幅度、信号衰减特性以及多路径反射波，运用媒质分层格林函数辅助矩量法得到蝶形天线的电流阻碍程度和特定媒质影响。设计了一种负反馈型高频放大器，提升了宽带电路增益。针对船舶或车载等移动应用，武汉理工大学的伍勇军提出一种车载雷达天线及其平台的风载特性研究[2]，利用有限元软件ABAQUS对天线有限元模型进行随机响应分析，建立了平台的有限元分析模型，并推导出了一种实用且科学的风振相应分析方法。

1.2 卫星天线应用分析

卫星天线主要应用于船舶通信、卫星通信等多种不同场景。针对船用信息传输，哈尔滨工程大学曹登建提出了基于MEMS/EC组合的卫星天线姿态测量和控制研究[3]，设计基于MEMS惯性传感器和电子罗盘的组合测姿方案，采用MEMS惯性传感器和电子罗盘联合进行姿态测量，并通过三轴框架运动弥补横滚角变化。通过用四元数形式表示的多维方程推导出紧耦合Kalman滤波算法，并提出使用小量随机白噪声的抗干扰法。最后分析了姿态控制方法，保证天线的稳定。针对卫星信息通信，电子科技大学杨丹提出一种卫星天线及带陷波特性的超宽带天线的设计，设计了一个用于海事卫星通信L频段的天线，将符号相反的一对电磁负荷，通过维尔京森传输线结构的功率分配器来发射和接收固定的信号，由反射板进行增益提升。

1.3 LTE天线应用分析

LTE天线主要应用于手机通讯，基站建立等多种场景。针对手机通讯，华南理工大学的付堉皓提出了基于LTE的移动终端天线設计[4]。本文通过对通用无源参数，有源参数理论系统的分析，整理出目前行业先进的支持LTE的天线设计方案。并选取常用的IFA天线类型进行设计研究了该天线的完整的无源以及有源性能。提出了降低SAR值地方法，并通过仿真验证了其可行性。而针对基站建立，华南理工大学的郭兴鑫提出了面向LTE基站通信的天线设计研究[5]，其重点主要集中于天线的宽频性、多频性、双极化、分集天线、小型化等，通过增加双层分边并采用正交极化方式排布天线阵子达到最大化极化分集，设计了一种组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下的宽带基站天线。

2 异构天线的传输性能对比

2.1 柔性天线的性能特征

柔性天线主要应用于航天器发展和可穿戴通信设备等多种场景。针对航天器发展，哈尔滨工业大学的徐东提出了航天器大型柔性天线局部共振分析及主动控制研究[6]。他主要对大型柔性天线的局部模态的产生及其控制方法进行研究，通过对比理想周期结构和失谐周期结构的固有频率与振型，证明了振动模态局部化现象。并得出同等控制代价下LQR控制方法的控制效果明显优于直接负速度反馈方法的结论。针对可穿戴通信设备，吉林大学电子科学与工程学院、吉林师范大学信息技术学院、合肥工业大学电子科学与应用物理学院的许德成、田小建、郭小辉和刘微提出了2.45GHz柔性可穿戴织物天线的设计与研究[7]。其旨在提升人体中心通信系统中柔性天线的穿戴舒适性。阐述柔性织物天线的拓扑结构、制备流程及性能特点，并提出的柔性织物天线及制备方法为可穿戴设备无线通信中柔性天线的设计提供了一种解决方案。

2.2 半导体天线的性能特征

半导体天线主要应用于激光器领域和GPS等多种场景。针对激光器领域，西安理工大学的王瑞提出了大气激光通信光学系统设计和分析方法[8]。提出了根据光能耦合效率来确定准直光学系统的数值孔径，使准直光学系统实现光束的准直，并进行了优化。设计了用户界面，可对光学天线系统特性进行分析，使研究者更进一步方便的研究光学天线系统特性。针对GPS领域，SiGe半导体公司推出了业界最小双天线输入GPS接收器IC。SE4150L GPS接收器IC能够实现双天线输入，且具有小尺寸、低功耗和低价格的显著优势。

2.3 金属天线的性能特征

金属天线主要应用于UHF频段和智能手机等多种场景。针对UHF频段，南京邮电大学的谢继鹏提出了UHF频段抗金属天线设计[9]。首先，他完成了中心工作频率为470MHz的电小天线设计，并使其正常工作于自由空间和金属表面。其次，他完成了一款超高频抗金属射频识别标签天线设计，其具有增强天线远场增益，提高标签天线的读取距离的优点。针对智能手机，电子科技大学的李鹏鹏提出了全金属边界智能机天线设计[10]。他提出了一款超薄窄边框的五频开缝的全金属边框智能机天线方案，使其工作在WWAN的五个工作频段且所占空间仅仅为5×40×8mm3。他还提出了一款七频全金属边界智能机天线方案，该方案设计环境苛刻，在实际应用环境中会被优化，所占空间仅为5×70×6mm3，是一款超薄窄边框全金属边界智能机天线方案。

3 多元结构的天线设计分析

3.1 平面天线阵设计分析

平面天线阵主要应用于卫星通讯及小型精确制导武器等多种场景。针对卫星通讯方面，来自空军工程大学导弹学院的朱莉、任卫华、高向军提出了宽带平面微带贴片天线陣的设计[11]。利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的贴片天线，并计算阵列单元间的互偶效应。确定了合适的阵元间距，并采用简单的T型等分功分器组成并联馈电网络，实际制作并测试了一个8×8元宽带平面天线阵。该天线阵在卫星通讯领域前景广阔。针对精确制导武器方面，来自国防科技大学的刘克成、宋学诚、提出了用于小型精确制导武器的8mm微带平面天线阵[12]。8mm微带平面天线阵能够与集成电路深度融合，其薄饼结构提升了天线的体积、阻抗等性能，将可有效应用于精确导引头制作中。

3.2 圆极化天线设计分析

圆极化天线主要应用于卫星导航系统和卫星通讯等多项方面。针对卫星导航系统来自西安电子科技大学的张运启提出了卫星导航系统中圆极化天线及其阵列的研究[13]。设计了宽带圆极化微带天线，该天线采用环状辐射贴片，以空气作为介质，通过调整环状辐射贴片的内外径尺寸，使天线可以覆盖GPS的L2和L5工作频带，同时兼顾伽利略的E5a和E5b工作频点（1164-1215MHz）。为了进一步展宽天线的工作频带，使其可以覆盖GNSS的所有工作频点，采用顶端开路，实现了展宽了波束宽度的四臂螺旋天线，优化了阵列单元的幅度和相位分布。在卫星通信天线设计方面，西安电子科技大学的徐平提出了圆极化天线及CTS阵列天线的卫星应用研究[14]。通过加载短路板和不对称螺旋臂绕制，成功设计了螺旋天线阵列，实现了地球站和终端的天线小型化、宽波束，融合多种网络的四臂螺旋天线，实现了宽缝和圆极化。

3.3 共面波导天线设计分析

共面波导天线主要应用于便携式超宽带通信系统和缺陷接地结构等多个方面，针对便携式超宽带通信系统，西安电子科技大学的邓超、谢拥军提出了共面波导边缘结构的平面单极子天线，将将介质基片的中心导体带扩展至凹槽顶端完成馈电交互，动态调整输入阻抗，可有效提升天线带宽[15]。针对缺陷接地结构，天津大学的余亚芳提出了基于缺陷接地结构的共面波导天线研究[16]。分析缺陷接地结构的等效电路，构建交指型DGS的神经网络，增加了新型天线的带宽，并实现了高次谐波的良好滤除。

4 结语

本文将对先进天线技术进行研究和分析，归纳了前沿天线的在雷达、卫星以及LTE多行业复合应用，分析柔性、半导体、金融等异构天线的传输性能，最后得到平面、圆极化、共面波导天线等多元结构的天线设计方法，为开展先进天线技术研究奠定了一定的基础。

参考文献

[1]李太全.探地雷达天线系统的设计、实现与优化[D].武汉大学，2004.

[2]伍勇军.车载雷达天线及其平台的风载特性研究[D].武汉理工大学，2007.

[3]曹登建.基于MEMS/EC组合的卫星天线姿态测量和控制研究[D].哈尔滨工程大学，2012.

[4]付堉皓.基于LTE的移动终端天线设计[D].华南理工大学，2013.

[5]郭兴鑫.LTE基站天线研究[D].华南理工大学，2013.

[6]徐冬.航天器大型柔性天线局部共振分析及主动控制研究[D].哈尔滨工业大学，2008.

[7]许德成，田小建，郭小辉，刘微.2.45GHz柔性可穿戴织物天线的设计与研究[J].东北师大学报：自然科学版，2016（4）：88-91.

[8]王瑞.大气激光通信光学系统设计和分析[D].西安理工大学，2005.

[9]谢继鹏.UHF频段抗金属天线设计[D].南京邮电大学，2014.

[10]李鹏鹏.全金属边界智能机天线设计[D].电子科技大学，2015.

[11]朱莉，任卫华，高向军.宽带平面微带贴片天线阵设计[J].无线电通信技术，2009（01）：42-44.

[12]刘克成，宋学诚.用于小型精确制导试器的8mm微带平面天线阵[J].电波科学学报，1991（z1）：84-87.

[13]张运启.卫星导航系统中圆极化天线及其阵列的研究[D].西安电子科技大学，2014.

[14]徐平.用于卫星通信的圆极化天线及CTS阵列天线的研究[D].西安电子科技大学，2014.

[15]邓超，谢拥军.共面波导边缘结构的平面单极子天线[J].重庆大学学报，2010（12）：114-118.

[16]于亚芳.基于缺陷接地结构的共面波导天线研究[D].天津大学，2007.