梁桐嚴(yán)

摘 要：移動(dòng)通信、電視廣播、雷達(dá)監(jiān)測、導(dǎo)航定位等通信電子領(lǐng)域依賴于天線完成數(shù)據(jù)收發(fā)。超低功耗、極微細(xì)化、超高通量、混合承載是未來天線設(shè)備發(fā)展的重要趨勢。為此，本文將對先進(jìn)天線技術(shù)進(jìn)行研究和分析，歸納當(dāng)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(dá)；柔性天性；半導(dǎo)體；圓極化；共面波導(dǎo)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)通信、電視廣播、雷達(dá)監(jiān)測、導(dǎo)航定位等通信電子領(lǐng)域依賴于天線完成數(shù)據(jù)收發(fā)。2016年我國手機(jī)終端需求預(yù)計(jì)超過3億部，這就意味天線設(shè)備市場發(fā)展的一個(gè)重大市場機(jī)遇。超低功耗、極微細(xì)化、超高通量、混合承載是未來天線設(shè)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(dǎo)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(lǐng)域。本文將對先進(jìn)天線技術(shù)進(jìn)行研究和分析，歸納當(dāng)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(fù)合應(yīng)用

1.1 雷達(dá)天線應(yīng)用分析

雷達(dá)天線主要應(yīng)用于探地、氣象、火炮、船舶等多種場景。針對探地應(yīng)用，武漢大學(xué)李太全提出一種探地雷達(dá)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化方法[1]，分析了探地雷達(dá)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(shí)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(yùn)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(shè)計(jì)了一種負(fù)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(dòng)應(yīng)用，武漢理工大學(xué)的伍勇軍提出一種車載雷達(dá)天線及其平臺的風(fēng)載特性研究[2]，利用有限元軟件ABAQUS對天線有限元模型進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析，建立了平臺的有限元分析模型，并推導(dǎo)出了一種實(shí)用且科學(xué)的風(fēng)振相應(yīng)分析方法。

1.2 衛(wèi)星天線應(yīng)用分析

衛(wèi)星天線主要應(yīng)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(xué)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(shè)計(jì)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(jìn)行姿態(tài)測量，并通過三軸框架運(yùn)動(dòng)彌補(bǔ)橫滾角變化。通過用四元數(shù)形式表示的多維方程推導(dǎo)出緊耦合Kalman濾波算法，并提出使用小量隨機(jī)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(xué)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(fù)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(jìn)行增益提升。

1.3 LTE天線應(yīng)用分析

LTE天線主要應(yīng)用于手機(jī)通訊，基站建立等多種場景。針對手機(jī)通訊，華南理工大學(xué)的付堉皓提出了基于LTE的移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)[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(jìn)的支持LTE的天線設(shè)計(jì)方案。并選取常用的IFA天線類型進(jìn)行設(shè)計(jì)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(yàn)證了其可行性。而針對基站建立，華南理工大學(xué)的郭興鑫提出了面向LTE基站通信的天線設(shè)計(jì)研究[5]，其重點(diǎn)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(dá)到最大化極化分集，設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)用于航天器發(fā)展和可穿戴通信設(shè)備等多種場景。針對航天器發(fā)展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐東提出了航天器大型柔性天線局部共振分析及主動(dòng)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(jìn)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(dòng)模態(tài)局部化現(xiàn)象。并得出同等控制代價(jià)下LQR控制方法的控制效果明顯優(yōu)于直接負(fù)速度反饋方法的結(jié)論。針對可穿戴通信設(shè)備，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)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(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)、制備流程及性能特點(diǎn)，并提出的柔性織物天線及制備方法為可穿戴設(shè)備無線通信中柔性天線的設(shè)計(jì)提供了一種解決方案。

2.2 半導(dǎo)體天線的性能特征

半導(dǎo)體天線主要應(yīng)用于激光器領(lǐng)域和GPS等多種場景。針對激光器領(lǐng)域，西安理工大學(xué)的王瑞提出了大氣激光通信光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法[8]。提出了根據(jù)光能耦合效率來確定準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，使準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直，并進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)了用戶界面，可對光學(xué)天線系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，使研究者更進(jìn)一步方便的研究光學(xué)天線系統(tǒng)特性。針對GPS領(lǐng)域，SiGe半導(dǎo)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(jià)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(yīng)用于UHF頻段和智能手機(jī)等多種場景。針對UHF頻段，南京郵電大學(xué)的謝繼鵬提出了UHF頻段抗金屬天線設(shè)計(jì)[9]。首先，他完成了中心工作頻率為470MHz的電小天線設(shè)計(jì)，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(biāo)簽天線設(shè)計(jì)，其具有增強(qiáng)天線遠(yuǎn)場增益，提高標(biāo)簽天線的讀取距離的優(yōu)點(diǎn)。針對智能手機(jī)，電子科技大學(xué)的李鵬鵬提出了全金屬邊界智能機(jī)天線設(shè)計(jì)[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(jī)天線方案，使其工作在WWAN的五個(gè)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(jī)天線方案，該方案設(shè)計(jì)環(huán)境苛刻，在實(shí)際應(yīng)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(jī)天線方案。

3 多元結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計(jì)分析

3.1 平面天線陣設(shè)計(jì)分析

平面天線陣主要應(yīng)用于衛(wèi)星通訊及小型精確制導(dǎo)武器等多種場景。針對衛(wèi)星通訊方面，來自空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)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(shè)計(jì)[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(jì)算陣列單元間的互偶效應(yīng)。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(luò)，實(shí)際制作并測試了一個(gè)8×8元寬帶平面天線陣。該天線陣在衛(wèi)星通訊領(lǐng)域前景廣闊。針對精確制導(dǎo)武器方面，來自國防科技大學(xué)的劉克成、宋學(xué)誠、提出了用于小型精確制導(dǎo)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(yīng)用于精確導(dǎo)引頭制作中。

3.2 圓極化天線設(shè)計(jì)分析

圓極化天線主要應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星通訊等多項(xiàng)方面。針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來自西安電子科技大學(xué)的張運(yùn)啟提出了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中圓極化天線及其陣列的研究[13]。設(shè)計(jì)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(shí)兼顧伽利略的E5a和E5b工作頻點(diǎn)（1164-1215MHz）。為了進(jìn)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(diǎn)，采用頂端開路，實(shí)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(shè)計(jì)方面，西安電子科技大學(xué)的徐平提出了圓極化天線及CTS陣列天線的衛(wèi)星應(yīng)用研究[14]。通過加載短路板和不對稱螺旋臂繞制，成功設(shè)計(jì)了螺旋天線陣列，實(shí)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(luò)的四臂螺旋天線，實(shí)現(xiàn)了寬縫和圓極化。

3.3 共面波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)分析

共面波導(dǎo)天線主要應(yīng)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(gè)方面，針對便攜式超寬帶通信系統(tǒng)，西安電子科技大學(xué)的鄧超、謝擁軍提出了共面波導(dǎo)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(dǎo)體帶擴(kuò)展至凹槽頂端完成饋電交互，動(dòng)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(xué)的余亞芳提出了基于缺陷接地結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)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(luò)，增加了新型天線的帶寬，并實(shí)現(xiàn)了高次諧波的良好濾除。

4 結(jié)語

本文將對先進(jìn)天線技術(shù)進(jìn)行研究和分析，歸納了前沿天線的在雷達(dá)、衛(wèi)星以及LTE多行業(yè)復(fù)合應(yīng)用，分析柔性、半導(dǎo)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(dǎo)天線等多元結(jié)構(gòu)的天線設(shè)計(jì)方法，為開展先進(jìn)天線技術(shù)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

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