可重構(gòu)微帶天線

需要天線中的可重新配置性，以消除針對多種特性（例如極化，頻率和輻射方向圖）采用多個天線的需求。17-21可重構(gòu)性是通過使用開關(guān)或可調(diào)材料修改基板屬性或物理尺寸來實(shí)現(xiàn)的?；宀牧系男阅苤苯佑绊懳炀€的諧振頻率（與相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率成反比）和工作帶寬（與基板厚度成正比）。鐵電或鐵氧體材料可以通過施加DC偏置磁場來改變磁導(dǎo)率，從而通過改變其電氣尺寸來控制天線的諧振頻率。18歲

微帶天線中的導(dǎo)體尺寸可以控制輻射特性（請參見圖10）。19圖10a顯示了一個微帶矩形貼片（MRP），其外環(huán)通過二極管連接到內(nèi)環(huán)。通過打開和關(guān)閉二極管，可以改變MRP尺寸，從而改變其諧振頻率。圖10b顯示了通過將短對角線放置在貼片內(nèi)部而實(shí)現(xiàn)極化的可重構(gòu)性。圖10c示出了以共享方式支持兩個天線，接收天線（總孔徑）和發(fā)射天線（內(nèi)圈）的公共孔，展示了兩種輻射模式的可重構(gòu)性。

圖10天線可重構(gòu)性：頻率（a），極化（b），接收/發(fā)射（c）。

肖伯特等。圖19展示了通過將短路柱放置在天線孔徑中的選定位置來控制天線頻率和極化。還顯示了變?nèi)荻O管和微機(jī)電（MEMS）電容器在提供頻率捷變方面的用途。Su等。20使用增材制造技術(shù)來演示基于二氧化釩（VO2）墨水的開關(guān)在天線設(shè)計(jì)中的頻率和輻射方向圖可重構(gòu)性。Leszkowska等。圖21使用帶有嵌入式PIN二極管開關(guān)電路的上覆層來控制光束轉(zhuǎn)向。

穿戴式天線

人體可穿戴天線在人體局域網(wǎng)（BAN），無線局域網(wǎng)（WAN），健康監(jiān)測和診斷以及人體通信中具有巨大的潛力。22-30 圖11展示了一個人與一個人體傳感器通信的用例，該傳感器與一個遠(yuǎn)程健康提供者進(jìn)行通信以進(jìn)行監(jiān)視，并與一個衛(wèi)星進(jìn)行通信以進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集。天線非?？拷梭w，在阻抗匹配，比吸收率（SAR），尺寸，成本，重量，體積和貼合性方面，設(shè)計(jì)面臨很大挑戰(zhàn)。Mandal等。29描述了用于Wi-Fi和WLAN應(yīng)用的薄型，圓極化的“紐扣天線”，其具有頻率選擇結(jié)構(gòu)（FSS）來抑制反向輻射。Njogu和Sanz-Izquierdo 30展示了一種用于身體交流的指甲形天線。

圖11穿戴式天線用例。

MIMO天線

MIMO 31-33是一種無線電天線技術(shù)，在發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）處使用多個天線來提供用于傳輸數(shù)據(jù)的多個信號路徑（請參見圖12）。MIMO可以實(shí)現(xiàn)波束成形，發(fā)射分集和接收分集。在城市場景中，多樣性技術(shù)可以防止衰落并提高覆蓋范圍。MIMO空間復(fù)用使用相同的頻率來傳輸不同的信號。大規(guī)模MIMO（M-MIMO）32-33使用大量的相控天線陣列，而不是有源終端和時分多路復(fù)用。能量集中在較小的空間區(qū)域，以提高輻射能效和吞吐量。M-MIMO對于5G應(yīng)用至關(guān)重要。

圖12 MIMO概念及其在5G應(yīng)用中的使用

超寬帶（UWB）天線

由于脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的限制，UWB天線34-40用于低功率和短距離應(yīng)用。在美國，UWB發(fā)射機(jī)被定義為在任何時間點(diǎn)具有等于或大于500 MHz的帶寬或大于0.2的分?jǐn)?shù)帶寬（FBW）的故意輻射器。天線設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。UWB天線在其帶寬上應(yīng)具有平坦的群延遲。UWB的FBW定義為

美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）已授權(quán)未經(jīng)許可使用960 MHz以下，3.1至10.6 GHz頻帶中的UWB系統(tǒng)，且各向同性輻射功率（EIRP）非常低。UWB發(fā)射機(jī)的FCC功率譜密度發(fā)射限值為?41.3 dBm / MHz。UWB天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)是：在UWB上實(shí)現(xiàn)一致的增益，HPBW，極化和相位；實(shí)現(xiàn)小天線尺寸（薄型）以適合商業(yè)系統(tǒng)；和控制成本。

已經(jīng)開發(fā)了許多屬于行波天線家族的天線設(shè)計(jì)，例如對數(shù)周期偶極天線（LPDA），Vivaldi天線和螺旋天線，以實(shí)現(xiàn)UWB。然而，它們外形大且體積大，使得它們對于無線通信系統(tǒng)是不切實(shí)際的。在過去的十年中，對用于UWB的平面單極天線進(jìn)行了大量研究。36-37，39這些天線的接地平面保持較小，以實(shí)現(xiàn)低剖面。因此，設(shè)計(jì)活動應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中考慮天線接地平面。

Nunn等。圖39描述了用于UHF頻帶中的基于表面的冰探測的UWB圓形單極天線陣列。它包括16個平面子陣列，形成16 x 17 m的Mills交叉陣列，可最大程度地提高沿交叉和沿軌道方向的靈敏度和空間選擇性。絕緣泡沫將接地層與單極分開，以使最大輻射指向側(cè)面。Nie等。40報(bào)告了在端口和公共接地之間具有高度隔離的兩端口共面波導(dǎo)（CPW）饋電UWB天線。專為全半球覆蓋而設(shè)計(jì)，其隔離度大于31.4 dB，在2.98至10 GHz范圍內(nèi)具有10 dB的分集增益。還展示了2.5 dB的增益，效率優(yōu)于80％。

超材料天線

超材料是具有自然界中不可見的異常特性的電磁結(jié)構(gòu)：41，42

 雙負(fù)（DNG）材料 

 負(fù)折射率 

 左撇子

 單負(fù)（SNG）材料 （E –，H – 場和波矢不遵循右手定則。）

 向后波（能量流與波矢量反平行）

DNG材料導(dǎo)致相速度和功率流反向平行；因此，截止波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)在假設(shè)上是不可行的。挑戰(zhàn)在于天線質(zhì)量因數(shù)及其電氣尺寸的根本限制。這些材料的諧振使得設(shè)計(jì)更小的天線成為可能（請參見圖13）。42盡管這種多頻帶天線很細(xì)，只有幾毫米，但它們的作用距離卻翻了一番，并提高了手機(jī)，Wi-Fi路由器和無線調(diào)制解調(diào)器的可靠性和電池壽命。

圖13小型超材料天線。

連接陣列天線

惠勒（Wheeler）43介紹了一種連續(xù)電流表（CCS）的概念，該電路會輻射橫向電磁（TEM）波（請參見圖14a）。接地平面被λ/ 4隔開的電流板的輻射電阻R在120Ω

并導(dǎo)致假設(shè)的無限帶寬。CCS吸收入射平面波而沒有任何反射。對于具有入射角 的E平面掃描，  由于E場在孔上的余弦投影，邊界電阻與cos成正比。對于H平面掃描，邊界電阻與cos -1成正比。然而，實(shí)際上，無限且均勻的電流表是不可行的。Munk 44是第一個演示它實(shí)際使用互連天線元件和5：1帶寬偶極子陣列（稱為“電流表陣列”（CSA））的公司（參見圖14b）。TCDA正在研究中，以產(chǎn)生更有效的CSA形式。3、38、45 

圖14連接的陣列天線：CCS（a）和CSA（b）。

擋風(fēng)玻璃天線

汽車工業(yè)正在引入多個用于安全和娛樂的車載傳感器。46 圖15顯示了一輛汽車，它支持連接到其車身的各種天線（f1，f2，f3，f4等）。汽車需要天線來播放音樂（f3），文件共享（f2），導(dǎo)航（f1）和防撞雷達(dá)（f4）系統(tǒng)。他們需要用于導(dǎo)航的GPS天線，以及支持雨水和睡眠傳感器等各種傳感器的天線。面臨的挑戰(zhàn)是要實(shí)現(xiàn)小巧的外形，同時減輕多個傳感器之間相互干擾的影響以及車身對性能的影響。設(shè)計(jì)過程并不簡單，需要將各種低頻設(shè)計(jì)技術(shù)（如矩量法（MoM）和FEM）與高頻設(shè)計(jì)技術(shù)（如統(tǒng)一衍射理論（UTD）和彈跳射線（SBR））進(jìn)行混合。47、48

圖15擋風(fēng)玻璃天線示意圖。

分形天線

分形是看起來一樣的碎片幾何形狀，與大小縮放無關(guān)。分形金屬元件可以用作非常大的頻率頻帶上的天線，證明其自我相似性和縮放獨(dú)立性。曼德爾布羅創(chuàng)造了這個詞在1983年，49但起源可追溯到馮·科赫在1904年50他表明，它是可能設(shè)計(jì)出一個曲線沒有切線，任何地方。用于天線的最受歡迎的分形形狀是分形地毯，Sierpinski的墊片，Cantor的梳子，von Koch的雪花，Mandelbrot套裝和Lorenz吸引子。所有這些分形的一個重要特性是其不規(guī)則性質(zhì)。圖16顯示了一些典型的分形天線。

圖16分形天線的典型示例。

最近的一些出版物[ 52，53]演示了新型的分形天線，例如花形和蕨形葉形啟發(fā)式維瓦爾第天線。Mondal等。圖52描述了一種基于花形的圓極化折疊式微帶貼片天線，具有49％的小型化，110度的3 dB波束寬度和120度的AR波束寬度。受自然啟發(fā)的蕨形分形葉結(jié)構(gòu)顯示出19.7 GHz的阻抗帶寬和10 dBi的增益。53

智能天線

智能天線是一個誤稱。它實(shí)際上是一個結(jié)合了天線結(jié)構(gòu)的智能系統(tǒng)。它用于諸如到達(dá)方向（DoA）估計(jì)，自適應(yīng)波束形成和自適應(yīng)零點(diǎn)形成的應(yīng)用。54，55 圖17是一個類比，將智能天線系統(tǒng)與盲人和兩個揚(yáng)聲器進(jìn)行比較。失明的人可以“調(diào)音”耳朵以聽一個揚(yáng)聲器，而忽略另一個揚(yáng)聲器。類似地，智能天線系統(tǒng)可以抑制來自一個方向的干擾并增強(qiáng)對來自所需源的信號的接收。MIMO是智能天線系統(tǒng)的一個例子。它不是單獨(dú)的天線類型，而是現(xiàn)有天線類型的智能系統(tǒng)。

圖17智能天線系統(tǒng)示意圖。

DGS天線

實(shí)際上，天線必須安裝在某些結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)可以是飛機(jī)，輪船或諸如手機(jī)塔之類的固定結(jié)構(gòu)。常規(guī)上，為了便于分析，天線設(shè)計(jì)采用無限大的接地平面或具有良好平面性的有限的接地平面。安裝結(jié)構(gòu)會影響天線性能，因?yàn)樗鼈儫o法滿足設(shè)計(jì)中假定的精確條件。圖18是顯示平臺對天線方向圖的影響的示意圖。黑色和藍(lán)色曲線分別顯示了一個假設(shè)的天線方向圖，該天線方向圖沒有受到機(jī)載平臺的影響，也受到了機(jī)載平臺的影響。

圖18天線-平臺相互作用。

源自光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)的DGS或EBG結(jié)構(gòu)提供了一種方便的解決方案。DGS是具有類似于帶阻濾波器特性的人工周期結(jié)構(gòu)。它們阻止某些頻段通過。它們可用于在安裝平臺上的天線下方局部實(shí)現(xiàn)天線接地平面，以最大程度地減少平臺相互作用。56-58 Obelleiro等。圖56展示了對安裝在飛機(jī)，輪船和其他車輛平臺上的陣列天線的詳細(xì)研究。他們使用MoM分析法考慮了元件與平臺之間的互耦合對天線性能的影響，旁瓣電平的下降幅度高達(dá)15 dB。Kumar等。57通過將DGS與微帶天線集成在一起，可以提高極化純度。演示了共極化和交叉極化模式之間隔離度提高了12 dB。貝爾等。58通過使用DGS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪廓減小。DGS對于控制互耦，提高極化純度，實(shí)現(xiàn)小型化并減輕為實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)的天線中非理想接地平面的影響至關(guān)重要。

保形天線陣列

在機(jī)載應(yīng)用（即飛機(jī)，導(dǎo)彈）中，天線可能會增大車輛的雷達(dá)橫截面（RCS）并干擾空氣動力學(xué)。因此，希望天線結(jié)構(gòu)是保形的（見圖19）。此外，保形天線對于實(shí)現(xiàn)可穿戴天線也是理想的。

圖19保形天線圖示。

SHAAS滿足國防和商業(yè)要求，將滿足多種功能（如雷達(dá)，通信，識別敵我對敵（IFF）和GPS）的不同天線組合在一起。4，55，56在某些應(yīng)用中，例如海上巡洋艦，傳統(tǒng)平臺上可能裝有100多個單獨(dú)的天線。62 SHAAS通過共享多個功能的通用光圈解決了這個問題（請參見圖20）。

可以同時或在分時模式下訪問多種功能。天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)是減少工作頻帶之間的帶內(nèi)和帶外耦合，最小化與安裝平臺的相互作用，使電子設(shè)備小型化并排列元素間網(wǎng)格以避免光柵波瓣，同時減輕掃描損耗。4、9、63張等。圖64描述了利用結(jié)構(gòu)重用的概念的雙頻帶共享孔徑天線。SHAAS提供了一種使天線系統(tǒng)更環(huán)保（更高效），更緊湊且成本更低的解決方案。

圖20在移動平臺上的共享孔徑概念。

雷達(dá)天線

圖21顯示了自赫茲概念化第一個使用環(huán)形天線的火花塞實(shí)驗(yàn)以來雷達(dá)天線的演變。后來，Yagi和Uda（1920）引入了Yagi – Uda天線，隨后是1930年代的號角天線，1940年代的天線陣列，1940年代末和1950年代初的拋物面反射器，1970年代的微帶貼片天線和1980年代的PIFA。 。

后來，開發(fā)出了機(jī)械掃描陣列（MSA），其固定波束天線安裝在伺服轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)上。但是，伺服系統(tǒng)的慣性限制了旋轉(zhuǎn)速度或掃描速度。為了克服這個問題，開發(fā)了無源電子掃描天線陣列（PESA），該電子陣列通過每個天線后面的移相器以電子方式旋轉(zhuǎn)或掃描波束。

在PESA中，由于在后端分配從單個高功率發(fā)射機(jī)（HPT）接收的射頻功率的固定功率分配網(wǎng)絡(luò)，天線孔徑上的幅度分布是固定的。4 HPT的故障表示系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。有源電子掃描天線陣列（AESA）克服了這個問題。

AESA在單個外殼中的每個元素后面（稱為發(fā)射-接收模塊（TRM））包括獨(dú)立的發(fā)射器和接收器。4、6 AESA的一個關(guān)鍵特性是平穩(wěn)降級，即即使在很少的TRM（通常少于10％到15％）出現(xiàn)故障的情況下，雷達(dá)也只能以有限的功能運(yùn)行。AESA的總體設(shè)計(jì)要求可以歸納為以下參數(shù)：

功能要求

空間掃描量

瞬時/工作帶寬

光束寬度

峰值和平均旁瓣電平

天線增益

極化

峰值功率和平均功率輸出

光束切換能力

主電源要求

物理要求

尺寸，重量，運(yùn)輸和流動性

生產(chǎn)，維護(hù)和可靠性

環(huán)境要求

沖擊和振動能力

工作溫度范圍

濕度，鹽，霧和真菌

圖21天線演變。

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