先進天線技術(shù)的研究概述

梁桐嚴

摘 要：移動通信、電視廣播、雷達監(jiān)測、導航定位等通信電子領域依賴于天線完成數(shù)據(jù)收發(fā)。超低功耗、極微細化、超高通量、混合承載是未來天線設備發(fā)展的重要趨勢。為此，本文將對先進天線技術(shù)進行研究和分析，歸納當前天線技術(shù)在不同行業(yè)中的用途，分析不同材料的天線特性，最后總結(jié)不同的天線結(jié)構(gòu)性能。

關(guān)鍵詞：雷達；柔性天性；半導體；圓極化；共面波導

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0075-02

天線，是能將承載信息的無線電信號通過饋電方式完成在物理空間的轉(zhuǎn)換。移動通信、電視廣播、雷達監(jiān)測、導航定位等通信電子領域依賴于天線完成數(shù)據(jù)收發(fā)。2016年我國手機終端需求預計超過3億部，這就意味天線設備市場發(fā)展的一個重大市場機遇。超低功耗、極微細化、超高通量、混合承載是未來天線設備發(fā)展的重要趨勢。寬帶定向性貼片天線、截面微帶天線、空間可展開天線、波導縫隙天線、平面近場天線等新型天線技術(shù)和結(jié)構(gòu)的提出，能夠有效的提高電磁轉(zhuǎn)換效率，使得天線技術(shù)的研究能夠逐漸形成覆蓋多行業(yè)、多材料、多結(jié)構(gòu)的研究領域。本文將對先進天線技術(shù)進行研究和分析，歸納當前天線技術(shù)在不同行業(yè)中的用途，分析不同材料的天線特性，最后總結(jié)不同的天線結(jié)構(gòu)性能。

1 前沿天線的多行業(yè)復合應用

1.1 雷達天線應用分析

雷達天線主要應用于探地、氣象、火炮、船舶等多種場景。針對探地應用，武漢大學李太全提出一種探地雷達天線系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)與優(yōu)化方法[1]，分析了探地雷達的探測性能與天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，通過求解信號特征對時間與空間的中心差商，分析全向無波速角度天線的電磁波脈沖頻率和幅度、信號衰減特性以及多路徑反射波，運用媒質(zhì)分層格林函數(shù)輔助矩量法得到蝶形天線的電流阻礙程度和特定媒質(zhì)影響。設計了一種負反饋型高頻放大器，提升了寬帶電路增益。針對船舶或車載等移動應用，武漢理工大學的伍勇軍提出一種車載雷達天線及其平臺的風載特性研究[2]，利用有限元軟件ABAQUS對天線有限元模型進行隨機響應分析，建立了平臺的有限元分析模型，并推導出了一種實用且科學的風振相應分析方法。

1.2 衛(wèi)星天線應用分析

衛(wèi)星天線主要應用于船舶通信、衛(wèi)星通信等多種不同場景。針對船用信息傳輸，哈爾濱工程大學曹登建提出了基于MEMS/EC組合的衛(wèi)星天線姿態(tài)測量和控制研究[3]，設計基于MEMS慣性傳感器和電子羅盤的組合測姿方案，采用MEMS慣性傳感器和電子羅盤聯(lián)合進行姿態(tài)測量，并通過三軸框架運動彌補橫滾角變化。通過用四元數(shù)形式表示的多維方程推導出緊耦合Kalman濾波算法，并提出使用小量隨機白噪聲的抗干擾法。最后分析了姿態(tài)控制方法，保證天線的穩(wěn)定。針對衛(wèi)星信息通信，電子科技大學楊丹提出一種衛(wèi)星天線及帶陷波特性的超寬帶天線的設計，設計了一個用于海事衛(wèi)星通信L頻段的天線，將符號相反的一對電磁負荷，通過維爾京森傳輸線結(jié)構(gòu)的功率分配器來發(fā)射和接收固定的信號，由反射板進行增益提升。

1.3 LTE天線應用分析

LTE天線主要應用于手機通訊，基站建立等多種場景。針對手機通訊，華南理工大學的付堉皓提出了基于LTE的移動終端天線設計[4]。本文通過對通用無源參數(shù)，有源參數(shù)理論系統(tǒng)的分析，整理出目前行業(yè)先進的支持LTE的天線設計方案。并選取常用的IFA天線類型進行設計研究了該天線的完整的無源以及有源性能。提出了降低SAR值地方法，并通過仿真驗證了其可行性。而針對基站建立，華南理工大學的郭興鑫提出了面向LTE基站通信的天線設計研究[5]，其重點主要集中于天線的寬頻性、多頻性、雙極化、分集天線、小型化等，通過增加雙層分邊并采用正交極化方式排布天線陣子達到最大化極化分集，設計了一種組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下的寬帶基站天線。

2 異構(gòu)天線的傳輸性能對比

2.1 柔性天線的性能特征

柔性天線主要應用于航天器發(fā)展和可穿戴通信設備等多種場景。針對航天器發(fā)展，哈爾濱工業(yè)大學的徐東提出了航天器大型柔性天線局部共振分析及主動控制研究[6]。他主要對大型柔性天線的局部模態(tài)的產(chǎn)生及其控制方法進行研究，通過對比理想周期結(jié)構(gòu)和失諧周期結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型，證明了振動模態(tài)局部化現(xiàn)象。并得出同等控制代價下LQR控制方法的控制效果明顯優(yōu)于直接負速度反饋方法的結(jié)論。針對可穿戴通信設備，吉林大學電子科學與工程學院、吉林師范大學信息技術(shù)學院、合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院的許德成、田小建、郭小輝和劉微提出了2.45GHz柔性可穿戴織物天線的設計與研究[7]。其旨在提升人體中心通信系統(tǒng)中柔性天線的穿戴舒適性。闡述柔性織物天線的拓撲結(jié)構(gòu)、制備流程及性能特點，并提出的柔性織物天線及制備方法為可穿戴設備無線通信中柔性天線的設計提供了一種解決方案。

2.2 半導體天線的性能特征

半導體天線主要應用于激光器領域和GPS等多種場景。針對激光器領域，西安理工大學的王瑞提出了大氣激光通信光學系統(tǒng)設計和分析方法[8]。提出了根據(jù)光能耦合效率來確定準直光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，使準直光學系統(tǒng)實現(xiàn)光束的準直，并進行了優(yōu)化。設計了用戶界面，可對光學天線系統(tǒng)特性進行分析，使研究者更進一步方便的研究光學天線系統(tǒng)特性。針對GPS領域，SiGe半導體公司推出了業(yè)界最小雙天線輸入GPS接收器IC。SE4150L GPS接收器IC能夠?qū)崿F(xiàn)雙天線輸入，且具有小尺寸、低功耗和低價格的顯著優(yōu)勢。

2.3 金屬天線的性能特征

金屬天線主要應用于UHF頻段和智能手機等多種場景。針對UHF頻段，南京郵電大學的謝繼鵬提出了UHF頻段抗金屬天線設計[9]。首先，他完成了中心工作頻率為470MHz的電小天線設計，并使其正常工作于自由空間和金屬表面。其次，他完成了一款超高頻抗金屬射頻識別標簽天線設計，其具有增強天線遠場增益，提高標簽天線的讀取距離的優(yōu)點。針對智能手機，電子科技大學的李鵬鵬提出了全金屬邊界智能機天線設計[10]。他提出了一款超薄窄邊框的五頻開縫的全金屬邊框智能機天線方案，使其工作在WWAN的五個工作頻段且所占空間僅僅為5×40×8mm3。他還提出了一款七頻全金屬邊界智能機天線方案，該方案設計環(huán)境苛刻，在實際應用環(huán)境中會被優(yōu)化，所占空間僅為5×70×6mm3，是一款超薄窄邊框全金屬邊界智能機天線方案。

3 多元結(jié)構(gòu)的天線設計分析

3.1 平面天線陣設計分析

平面天線陣主要應用于衛(wèi)星通訊及小型精確制導武器等多種場景。針對衛(wèi)星通訊方面，來自空軍工程大學導彈學院的朱莉、任衛(wèi)華、高向軍提出了寬帶平面微帶貼片天線陣的設計[11]。利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構(gòu)成的貼片天線，并計算陣列單元間的互偶效應。確定了合適的陣元間距，并采用簡單的T型等分功分器組成并聯(lián)饋電網(wǎng)絡，實際制作并測試了一個8×8元寬帶平面天線陣。該天線陣在衛(wèi)星通訊領域前景廣闊。針對精確制導武器方面，來自國防科技大學的劉克成、宋學誠、提出了用于小型精確制導武器的8mm微帶平面天線陣[12]。8mm微帶平面天線陣能夠與集成電路深度融合，其薄餅結(jié)構(gòu)提升了天線的體積、阻抗等性能，將可有效應用于精確導引頭制作中。

3.2 圓極化天線設計分析

圓極化天線主要應用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)和衛(wèi)星通訊等多項方面。針對衛(wèi)星導航系統(tǒng)來自西安電子科技大學的張運啟提出了衛(wèi)星導航系統(tǒng)中圓極化天線及其陣列的研究[13]。設計了寬帶圓極化微帶天線，該天線采用環(huán)狀輻射貼片，以空氣作為介質(zhì)，通過調(diào)整環(huán)狀輻射貼片的內(nèi)外徑尺寸，使天線可以覆蓋GPS的L2和L5工作頻帶，同時兼顧伽利略的E5a和E5b工作頻點（1164-1215MHz）。為了進一步展寬天線的工作頻帶，使其可以覆蓋GNSS的所有工作頻點，采用頂端開路，實現(xiàn)了展寬了波束寬度的四臂螺旋天線，優(yōu)化了陣列單元的幅度和相位分布。在衛(wèi)星通信天線設計方面，西安電子科技大學的徐平提出了圓極化天線及CTS陣列天線的衛(wèi)星應用研究[14]。通過加載短路板和不對稱螺旋臂繞制，成功設計了螺旋天線陣列，實現(xiàn)了地球站和終端的天線小型化、寬波束，融合多種網(wǎng)絡的四臂螺旋天線，實現(xiàn)了寬縫和圓極化。

3.3 共面波導天線設計分析

共面波導天線主要應用于便攜式超寬帶通信系統(tǒng)和缺陷接地結(jié)構(gòu)等多個方面，針對便攜式超寬帶通信系統(tǒng)，西安電子科技大學的鄧超、謝擁軍提出了共面波導邊緣結(jié)構(gòu)的平面單極子天線，將將介質(zhì)基片的中心導體帶擴展至凹槽頂端完成饋電交互，動態(tài)調(diào)整輸入阻抗，可有效提升天線帶寬[15]。針對缺陷接地結(jié)構(gòu)，天津大學的余亞芳提出了基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的共面波導天線研究[16]。分析缺陷接地結(jié)構(gòu)的等效電路，構(gòu)建交指型DGS的神經(jīng)網(wǎng)絡，增加了新型天線的帶寬，并實現(xiàn)了高次諧波的良好濾除。

4 結(jié)語

本文將對先進天線技術(shù)進行研究和分析，歸納了前沿天線的在雷達、衛(wèi)星以及LTE多行業(yè)復合應用，分析柔性、半導體、金融等異構(gòu)天線的傳輸性能，最后得到平面、圓極化、共面波導天線等多元結(jié)構(gòu)的天線設計方法，為開展先進天線技術(shù)研究奠定了一定的基礎。

參考文獻

[1]李太全.探地雷達天線系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)與優(yōu)化[D].武漢大學，2004.

[2]伍勇軍.車載雷達天線及其平臺的風載特性研究[D].武漢理工大學，2007.

[3]曹登建.基于MEMS/EC組合的衛(wèi)星天線姿態(tài)測量和控制研究[D].哈爾濱工程大學，2012.

[4]付堉皓.基于LTE的移動終端天線設計[D].華南理工大學，2013.

[5]郭興鑫.LTE基站天線研究[D].華南理工大學，2013.

[6]徐冬.航天器大型柔性天線局部共振分析及主動控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2008.

[7]許德成，田小建，郭小輝，劉微.2.45GHz柔性可穿戴織物天線的設計與研究[J].東北師大學報：自然科學版，2016（4）：88-91.

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[9]謝繼鵬.UHF頻段抗金屬天線設計[D].南京郵電大學，2014.

[10]李鵬鵬.全金屬邊界智能機天線設計[D].電子科技大學，2015.

[11]朱莉，任衛(wèi)華，高向軍.寬帶平面微帶貼片天線陣設計[J].無線電通信技術(shù)，2009（01）：42-44.

[12]劉克成，宋學誠.用于小型精確制導試器的8mm微帶平面天線陣[J].電波科學學報，1991（z1）：84-87.

[13]張運啟.衛(wèi)星導航系統(tǒng)中圓極化天線及其陣列的研究[D].西安電子科技大學，2014.

[14]徐平.用于衛(wèi)星通信的圓極化天線及CTS陣列天線的研究[D].西安電子科技大學，2014.

[15]鄧超，謝擁軍.共面波導邊緣結(jié)構(gòu)的平面單極子天線[J].重慶大學學報，2010（12）：114-118.

[16]于亞芳.基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的共面波導天線研究[D].天津大學，2007.