智能天線的新軍——自組構天線

徐立勤　彭濤

(南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003)

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智能天線的新軍——自組構天線

徐立勤彭濤

(南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003)

摘要自組構天線憑借其能夠根據(jù)所處的電磁環(huán)境來改變自身的電形狀這一特性,已成為當今智能天線研究領域的一大熱點.文中介紹了自組構天線的概念模型,詳細分析了三種常用的自組構天線的工作原理,對未來自組構天線的應用和發(fā)展方向進行了具體的討論.

關鍵詞自組構天線;貼片天線;環(huán)天線;縫隙天線

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

大多數(shù)天線都只能工作在一種特定的電氣環(huán)境條件下,它們可以在特定頻率范圍內(nèi)工作或具有特定的方向圖,一旦頻率范圍改變了,或者輻射方向不同了,就需要重新調整天線物理結構.很多時候,設計者必須設法降低諸如增益、帶寬、電壓駐波比或效率的性能,以滿足對物理尺寸、重量、成本、可制造性等的限制要求.因此,這些天線本身很難通過調整自身物理結構來適應變化的環(huán)境.自組構天線(Self-Structuring Antenna,SSA)作為一種新型的自適應天線,能夠根據(jù)外部環(huán)境和信號條件改變它自身的電結構,不需要改變其物理結構就可以達到設計要求.目前,自組構天線憑借這種獨特的優(yōu)勢,已成為當今天線研究領域中的一大熱點.

1自組構天線及其工作原理

作為一種智能天線[1],自組構天線也需要借助相應的控制電路來實現(xiàn)改變自身電結構的功能，如圖1所示,一個典型的自組構天線系統(tǒng)包括了一副自組構天線,信號反饋傳感器,一個小型微處理器和控制線路.作為自組構天線的核心——天線,是由許多輻射單元組成,這些輻射單元可以是導線、貼片、縫隙以及其他形式,它們通過電子控制的開關連接在一起.當自組構天線需要改變自身電結構時,并不是要天線的位置或形狀的改變,而是改變天線樣板上各個部分之間的連接開關,從而改變天線的電結構.通過從傳感器上得到的反饋信號,天線結構被重新調整以滿足一個或多個優(yōu)化目標.通過求解優(yōu)化問題,自組構天線可以從百萬種甚至更多的可能的天線形狀中快速查找最佳狀態(tài).當優(yōu)化問題的計算規(guī)模太大時,有些文獻建議采用遺傳算法、蟻群算法等智能優(yōu)化方法[2-3].一旦傳感器接收到從天線傳過來的反映天線自身特性的參數(shù)(如反射系數(shù)或是電壓駐波比)時,就會把這個參數(shù)反饋給微處理器.微處理器把反饋的信號和目標值進行比較,若比目標數(shù)值差,就發(fā)出指令改變開關的工作狀態(tài),從而改變天線的結構,以達到要求的電性能.

圖1　自組構天線系統(tǒng)示意圖

下面,分別對目前三種常用的自組構天線的工作原理進行詳細的介紹.

1.1貼片結構自組構天線

微帶貼片天線由于具有易于設計,制作成本低廉,可用于大規(guī)模制造等優(yōu)良特性,被廣泛應用于現(xiàn)代天線設計.自組構貼片天線以基本的微帶貼片天線作為模型樣板,通過在介質基片中加入短路針的方法設計出天線自組構的特性[4].短路針被放置在金屬貼片和金屬接地板的中間,此時它就像天線結構中的開關一樣,可由計算機控制是否連接或者斷開.這樣由不同數(shù)量組成的短路針陣列就變成了一種組合電路,每一個短路針對應著一個二進制的開關.開關有斷開和閉合兩種狀態(tài),具有N個短路針開關的貼片天線就可以有2N種狀態(tài).這2N種狀態(tài)對應著不同的天線結構,以及不同的天線內(nèi)腔的電磁場分布,因而具有不同的天線輻射特性.用遺傳算法搜索,從這些狀態(tài)中找出最合適的作為自組構貼片天線的一種工作狀態(tài).由于能夠組合出的結構繁多,除了在搜索算法上提出改進以外,自組構貼片天線短路針安放的位置也很重要.為了能夠最大化地減小算法搜索時重復的天線結構,天線短路針陣列被設計為一種不對稱的樣式,這也是自組構天線結構的一大特點.

勞動(Labour)：創(chuàng)造價值并且只能在量上被計算的勞動。[注]Fuchs, Christian,Digital Labour and Karl Marx, New York: Routledge, 2014, p.26.

圖2　自組構貼片天線

通過在微帶貼片中插入一些數(shù)量的短路針,自組構貼片天線可以彌補傳統(tǒng)貼片天線的缺點.相比于工作在單個頻率的傳統(tǒng)貼片天線,自組構貼片天線可以獲得更低的回波損耗和略窄的瞬時帶寬,這是因為自組構天線的貼片尺寸相對較大,從而導致一大部分能量儲存在貼片內(nèi)部.另外,自組構貼片天線還可以調節(jié)自身電結構,以獲得工作在不同頻率上的能力,或是同時工作在兩個甚至多個頻率上的能力.對于工作在雙頻段或多頻段模式下的自組構貼片天線,可以通過改變短路針的開關狀態(tài),從而選擇合并天線鄰近的兩個或者多個工作頻點,增大天線的工作帶寬.例如當選擇鄰近的四個工作頻點進行合并優(yōu)化時,自組構貼片天線的-10 dB帶寬大約為15.3%,是傳統(tǒng)貼片天線的3倍,這樣自組構貼片天線可以轉化為一種寬帶天線.

1.2矩形對數(shù)周期結構自組構天線

這種結構的自組構天線是Edward J. Rothwell博士在密歇根州立大學提出的最初模型[5].天線樣板是由大大小小的矩形環(huán)構成,總體呈非對稱的周期結構.樣板中包含23個可控開關,對應著223種天線狀態(tài),這些開關可由外部連接的微處理器控制,通過細導線連接,最后裱在一塊介質板上,介質板的背面則是開關的控制電路.矩形對數(shù)周期自組構天線在結構上應該屬于電大尺寸的方環(huán)線天線,因此天線的一些輻射特性和環(huán)天線類似.由于在自組構天線內(nèi)部存在大量的開關以及控制電源線,這對于傳統(tǒng)結構的天線而言將會大大增加其電磁耦合影響.然而在實測過程中卻發(fā)現(xiàn)矩形對數(shù)周期結構的自組構天線的駐波比在整個工作頻帶內(nèi)幾乎都很小,這是因為自組構天線能夠在自身環(huán)境中利用與周圍結構(諸如控制線和電源線)的電磁耦合作用提高饋線匹配程度,這種天線特性使得矩形對數(shù)周期結構的自組構天線特別適合應用于汽車、飛機等交通工具中.另一方面,當矩形對數(shù)周期自組構天線作為接收天線時,無論是在水平方向還是垂直方向旋轉天線幾乎都可以獲得很強的接收信號,表現(xiàn)出其良好的全向性特點.

圖3　矩形對數(shù)周期結構SSA

1.3互補結構自組構天線

互補自組構天線[6](Complementary Self-Stru-cturing Antenna,CSSA)是一種具有對稱結構的自組構天線.與前兩種自組構天線不同,互補結構的自組構天線是通過在一塊金屬表面上開槽以產(chǎn)生電磁輻射信號.由于這些縫隙的位置和形狀與環(huán)形結構中的金屬導線有著類似的互補關系,所以被稱為互補式自組構天線.此種天線具有32個可控開關橫跨安置在縫隙上,共存在232種(約為40億種)可能的天線狀態(tài).

互補式自組構天線的一大用途是安裝在汽車車頂上做為FM頻段接收天線[7].多年以來如何將傳統(tǒng)天線設計耦合到汽車結構中一直是令汽車生產(chǎn)廠家十分頭疼的問題,由于車載天線的電磁環(huán)境受到各種結構之間耦合的影響,汽車設計者需要耗費大量的時間和精力來尋找出最佳的設計方案[8].然而互補式自組構天線的出現(xiàn)很好地解決了這個問題,當互補式自組構天線安裝在汽車的頂部時,其在30 MHz到300 MHz頻段的電壓駐波比可以降低到2以下,輻射效率相比于沒有與車輛耦合的情況上升到了80%以上(單獨放置的自組構天線由于工作頻段的緣故處于電小結構,輻射性能大大降低),整個天線表現(xiàn)出在FM頻段上良好的工作能力.當天線水平放置時,模板上的縫隙在法線方向上可以產(chǎn)生出垂直極化的電磁波,并且由于天線整體結構的對稱性,方向性圖十分均勻.同時互補式自組構天線也具有多頻段共同工作的能力,因此一副單獨的自組構天線就可以代替多副工作在不同頻段的鞭狀車載天線.另外相對于傳統(tǒng)車載天線,互補式自組構天線可以安裝在汽車前窗、后窗以及車頂上,這樣的設計不僅可以大大增加汽車的美觀,還能減小一部分汽車阻力.在軍用車方面,采用互補式自組構天線可以使車輛更為隱蔽,一定程度上保護了車輛內(nèi)人員的安全.

圖4　互補結構SSA

2自組構天線未來的應用方向和展望

1) 自組構天線有單頻段工作和多頻段工作兩種工作模式.當天線工作在單頻模式的時候，自組構天線可以分別在每個頻率上進行優(yōu)化,從而在每個頻率上獲得最佳接收信號.當天線工作在多頻段模式時,自組構天線可以具有8～10個工作頻點,在每個工作頻點上都能夠達到電壓駐波比小于1.3的要求.這樣使得自組構天線可以輕松代替多個傳統(tǒng)天線的工作.

2) 從最初的天線模板中可以看出,自組構天線通過選擇合并相鄰的工作頻點方法可以在近10 GHz頻率帶寬上獲得小于1.3的駐波比,在理論上通過這種方法能夠達到超寬帶天線的標準.所以自組構天線有一個很寬的帶寬,很適合作為高傳輸速率移動通信天線.

3) 自組構天線是一種新型的自適應天線,它能夠快速適應自身所處的外部環(huán)境.對于一般的移動通信天線,其所處的環(huán)境是復雜的、不斷變化的,由此形成的天線環(huán)境將會產(chǎn)生多徑陰影和衰落[11],衰落的嚴重性直接決定著通信質量的好壞.自組構天線可以根據(jù)傳感器反饋過來的信號分析多徑干擾的強度,從而調節(jié)自身的結構最小化以減小多徑衰落.

4) 傳統(tǒng)的車載天線必須針對每種車型分別進行設計,以適應各種車輛的形狀、大小以及不同天線位置.而智能自組構天線可以根據(jù)所處的環(huán)境,自主選擇天線模板中開關的工作狀態(tài),從而找到一個合適的天線結構去匹配車身,甚至可以利用天線與車輛之間的耦合作用改善天線的性能.并且智能自組構天線在查找最佳天線結構所需要的時間也很短.因此自組構天線特別適合安置在車輛上和小型的個人移動通訊設備上,這也是自組構天線未來發(fā)展的主要方向.

5) 在一些空間狹窄并且需要有多個天線的環(huán)境中,天線之間的干擾和各種各樣電子系統(tǒng)之間的干擾所產(chǎn)生的電磁兼容問題一直都是不可避免的.自組構天線能夠用干擾信號作為優(yōu)化處理器的輸入,從而減輕干擾,增加信號的強度.

6) 作為一種新型的智能天線,自組構天線具備在惡劣環(huán)境中工作的能力.當我們需要在系統(tǒng)中安裝天線時,自組構天線可以立刻適應它所屬的環(huán)境.另外,當天線被破壞受到損傷時,自組構天線多頻段工作的特性足以保證它正常通訊,不受外界情況的干擾.從這方面來說自組構天線也算得上是一種生命力頑強的天線,十分適合運用在環(huán)境惡劣的任務中.

7) 自組構天線可以通過改變自身電結構進而改變其輻射方向圖,這在某些情況下是具有重要意義的，比如在方向測定的時候,首先需要一個已知方向性的天線來確定其指向.雖然自組構天線的方向圖信息一般不是預先知道的,但是我們能夠通過放在天線附近的傳感器來獲取不同狀態(tài)下天線方向性圖.根據(jù)在各個最大輻射方向的方向性圖,人們可以很容易地進行波束掃描完成定向的目的.相比于傳統(tǒng)的可重構天線[12]或相控陣系統(tǒng)[13],自組構天線則不需要前期的工程測試和開銷成本.微處理器的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫能夠儲存大量的帶有方向圖信息的天線結構.

3結論

隨著科技的進步與發(fā)展,工程上對天線的要求越來越苛刻,而自組構天線憑借其獨有的自適應能力和寬帶化、多頻化等優(yōu)點,在當今的智能天線中扮演著舉足輕重的地位.但是整體結構的復雜(自組構天線需要一整套系統(tǒng)才能有效工作)是導致自組構天線沒有被廣泛應用的一大因素.本論文僅僅是對自組構天線進行了初步的探討,更多關于自組構天線的研究與應用還有待于探索和實踐.

參考文獻

[1]蔣澤, 杜惠平, 趙為糧, 等. 面向新一代移動通信的智能天線技術[J].電波科學學報, 2001, 16(3): 342-347.

JIANG Z, DU H P, ZHAO W L, et al. Smart antenna technique for next generation of mobile communication[J]. Chinese journal of radio science, 2001, 16(3): 342-347.(in Chinese)

[2] COLEMAN C M, ROTHWELL E J, ROSS J E. Investigation of simulated annealing, ant-colony optimization, and genetic algorithms for self-structuring antennas[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2004, 52(4): 1008-1014.

[3] 孫思揚, 呂英華, 張金玲, 等. 基于遺傳算法的超寬帶微帶天線優(yōu)化設計[J].電波科學學報, 2011, 26(1): 63-66.

SUN S Y, Lü Y H, ZHANG J L, et al. Design and optimization of UWB antenna based on genetic algorithm[J]. Chinese journal of radio science, 2011, 26(1):63-66.(in Chinese)

[4] GREETIS L, OUEDRAOGO R, GREETIS B, et al. A Self-structuring patch antenna: simulation and prototype[J]. IEEE antennas and propagation magazine, 2010, 52(1): 114-123.

[5] COLEMAN C M, ROTHWELL E J, ROSS J E. Self-structuring antennas[J]. IEEE antennas and propagation magazine, 2002, 44(3): 11-22.

[6] ROSS E J, ROTHWELL E J, PRESCHUTTI S. A complementary self-structuring antenna for use in a vehicle environment[C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium June 20-25, 2004, 3: 2321-2324.

[7] PERRY B T, ROTHWELL E J, NAGY L L, et al. Self-structuring antenna concept for FM-band automotive backlight antenna design[C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Washington D. C., 2005, 1B: 92-95.

[8] 俞集輝, 馬曉雷, 鄭亞利. 車載天線電磁特性及耦合度的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報, 2008, 20(6): 1603-1606.

YU J H, MA X L, ZHENG Y L. Simulation and research on electromagnetic character and coupling degree of vehicle antennas[J]. Journal of system simulation, 2008, 20(6): 1603-1606.(in Chinese)

[9] PERRY B T, COLEMAN C M, BASCH B F, et al. Self-structuring antenna for television reception[C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Boston, July 8-13, 2001, 1: 162-165.

[10]張洪濤. 自組構天線及其特性的研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2008.

ZHANG H T. Analysis and design of self-structuring antennas[D]. Chengdu: University of Electronics Science & Technology of China, 2008.(in Chinese)

[11]朱洪波, 高攸剛. 微蜂窩多徑散射環(huán)境中的電波傳播特性分析[J]. 電波科學學報, 1997, 12(3): 321-327.

ZHU H B, GAO Y G. Analyzing properties of wave propagation in microcellular mutipath scattering environment[J]. Chinese journal of radio science, 1997, 12(3): 321-327.(in Chinese)

[12]王安國, 張佳杰, 王鵬, 等. 可重構天線的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電波科學學報, 2008, 23(5): 997-1008.

WANG A G, ZHANG J J, WANG P, et al. Recent research and developing trends of reconfigurable antennas[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(5): 997-1008.(in Chinese)

[13]張中偉. 相控陣天線關鍵技術的研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學, 2012.

ZHANG Z W. The research of the key elements of phased array antenna[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2012.(in Chinese)

徐立勤(1963-),女,江西人,南京郵電大學副教授,碩士生導師，主要研究無線通信中的各種關鍵技術、無線通信中的電磁兼容理論和技術,超寬帶無線通信技術、無線信道及其電波傳播理論與技術、無線通信干擾及其兼容性技術等.

彭濤(1990-)，男,江蘇人,南京郵電大學碩士研究生，主要研究方向為移動通信與射頻技術.

驅動創(chuàng)新·融合發(fā)展

Driving Innovation·Fusion Development

作者簡介

中圖分類號TN82

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)01-0199-05

收稿日期：2015-03-20

徐立勤, 彭濤. 智能天線的新軍——自組構天線[J]. 電波科學學報,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

聯(lián)系人： 彭濤 E-mail：pengtao112233@126.com