新型介质贴片天线身材更小 通信效率更高

文／张 晔 范 苏 钟钰婷

创造性地实现介质贴片天线的设计理论突破，提出一种新型变容二极管加载方案，引入耦合电容的概念，解决了传统天线的能耗问题，首次实现具有高辐射效率的频率可重构介质贴片天线及阵列……在近日举行的第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛“黑科技”专项赛中，南通大学信息科学技术学院学生团队研发的新型天线，被评为“恒星”级作品并荣获该专项全国一等奖。

该成果结合可重构技术和介质贴片天线技术，为日后天线的发展做出了尝试。不仅如此，他们的介质贴片天线还申请到了3项国家专利，并且受到了通讯基站天线行业龙头企业的青睐。

基站天线亟待“瘦身”

作为无线通信系统中收发信号的部件，天线在信息传输中发挥着至关重要的作用。“天线可以说是无处不在，生活中凡是无线通信都要用到天线。”团队成员、信息与通信工程专业19级硕士研究生唐世昌介绍道，“目前大规模使用的是金属天线，也叫作微带贴片天线，虽然这种天线能满足现阶段的发展需求，但随着通信频率的升高，它的辐射效率就会逐渐降低，也会产生更大的能量损耗。”

去年11月，工信部指出，在“十四五”期间我国力争建成全球规模最大的5G独立组网网络。

随着以5G为基石的“智联万物”时代拉开序幕，为满足高速率、大容量的通信需求，当前基站上堆积了大量功能单一的天线，造成了体积和能耗的激增。如何让天线具有更高性能且更加灵巧，是摆在5G时代甚至是6G时代面前的一道难题。

介质贴片天线技术实现突破

“我们刚开始时先借鉴了介质谐振器天线的工作机理，把介质材料和基板材料相结合，天线在通信频率不断增高的情况下也能保障稳定且高效的辐射效率。”团队成员、电子科学与技术专业本科生王晓凡说道。

但是相较于传统的纯金属天线来说，在加工时，天线使用的不同材料性能不同，在加热过程中会发生不同的变化导致无法融合。

在探索中，香港城市大学两位教授提出的一种介质贴片天线的基本模型引起了团队成员的关注。

“介质贴片天线，是一种新型的准平面化天线，相较于传统金属天线，它的尺寸减小了50%，效率能提升10%以上。”团队成员、信息与通信工程专业19级硕士研究生王雪颖说道，在南通大学教授陈建新的指导下，团队利用可重构技术设计开发了介质贴片天线。

“传统的天线是按照某个定向场景设计的，相当于一个天线只能服务于单个应用场景。”陈建新教授介绍道，“如果在单个天线上引入可重构技术，把天线的性能重新构造，使其能够自由切换，应对不同的场景，不仅能降低基站的建设成本、通信平台上的天线数量，更适应我们现在社会多样的应用场景以及用户多元化的通信需求。”

“当时，陈建新老师提醒我们关注介质贴片谐振器的层叠结构，让我们尝试充分挖掘它的优势。”王晓凡说，“因此我们进行了文献调研，发现了传统的调谐元件加载方案会恶化天线辐射性能的问题。”于是，团队结合谐振器的层叠结构，吸取传统金属天线的优点，决定在他们研究的介质贴片天线第二层的基板放置可调元件，因为运用了陶质材料，所以并不会影响到谐振器辐射时的工作特性，完美地把电容二极管作为可调元件，将可重构技术运用到介质贴片天线上。

可以预见，随着新材料和新工艺的不断涌现，毫米波介质贴片天线的开发与应用将迎来新一轮的研究热潮。“我们未来将致力于把介质贴片天线的研究拓展到毫米波频段，让介质贴片天线满足更加丰富、更加多样、更加严苛的应用需求。”唐世昌告诉记者。

（文章来源：《科技日报》）