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(duì)多種特性（例如極化，頻率和輻射方向圖）采用多個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。基板材料的性能直接影響微帶天線的諧振頻率（與相對(duì)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(chǎng)來(lái)改變磁導(dǎo)率，從而通過改變其電氣尺寸來(lái)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(qǐng)參見圖10）。19圖10a顯示了一個(gè)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(duì)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(gè)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)線局域網(wǎng)（WAN），健康監(jiān)測(cè)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(gè)人與一個(gè)人體傳感器通信的用例，該傳感器與一個(gè)遠(yuǎn)程健康提供者進(jìn)行通信以進(jìn)行監(jiān)視，并與一個(gè)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(lái)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(wú)線電天線技術(shù)，在發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）處使用多個(gè)天線來(lái)提供用于傳輸數(shù)據(jù)的多個(gè)信號(hào)路徑（請(qǐng)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(chǎng)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(lái)傳輸不同的信號(hào)。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(shí)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(duì)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(guó)，UWB發(fā)射機(jī)被定義為在任何時(shí)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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（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(duì)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(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)是不切實(shí)際的。在過去的十年中，對(duì)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(dòng)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(cè)的UWB圓形單極天線陣列。它包括16個(gè)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(chǎng)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(qǐng)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(wú)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(huì)輻射橫向電磁（TEM）波（請(qǐng)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(wú)限帶寬。CCS吸收入射平面波而沒有任何反射。對(duì)于具有入射角 的E平面掃描，  由于E場(chǎng)在孔上的余弦投影，邊界電阻與cos成正比。對(duì)于H平面掃描，邊界電阻與cos -1成正比。然而，實(shí)際上，無(wú)限且均勻的電流表是不可行的。Munk 44是第一個(gè)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(gè)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(lái)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(shí)減輕多個(gè)傳感器之間相互干擾的影響以及車身對(duì)性能的影響。設(shè)計(jì)過程并不簡(jiǎn)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(lái)一樣的碎片幾何形狀，與大小縮放無(wú)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)誤稱。它實(shí)際上是一個(gè)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(gè)類比，將智能天線系統(tǒng)與盲人和兩個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行比較。失明的人可以“調(diào)音”耳朵以聽一個(gè)揚(yáng)聲器，而忽略另一個(gè)揚(yáng)聲器。類似地，智能天線系統(tǒng)可以抑制來(lái)自一個(gè)方向的干擾并增強(qiáng)對(duì)來(lái)自所需源的信號(hào)的接收。MIMO是智能天線系統(tǒng)的一個(gè)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(wú)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(huì)影響天線性能，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法滿足設(shè)計(jì)中假定的精確條件。圖18是顯示平臺(tái)對(duì)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(gè)假設(shè)的天線方向圖，該天線方向圖沒有受到機(jī)載平臺(tái)的影響，也受到了機(jī)載平臺(tái)的影響。

圖18天線-平臺(tái)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(tái)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(tái)相互作用。56-58 Obelleiro等。圖56展示了對(duì)安裝在飛機(jī)，輪船和其他車輛平臺(tái)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(tái)之間的互耦合對(duì)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(duì)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(huì)增大車輛的雷達(dá)橫截面（RCS）并干擾空氣動(dòng)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(duì)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(guó)防和商業(yè)要求，將滿足多種功能（如雷達(dá)，通信，識(shí)別敵我對(duì)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(tái)上可能裝有100多個(gè)單獨(dú)的天線。62 SHAAS通過共享多個(gè)功能的通用光圈解決了這個(gè)問題（請(qǐng)參見圖20）。

可以同時(shí)或在分時(shí)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(tái)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(shí)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(dòng)平臺(tái)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(gè)使用環(huán)形天線的火花塞實(shí)驗(yàn)以來(lái)雷達(dá)天線的演變。后來(lái)，Yagi和Uda（1920）引入了Yagi – Uda天線，隨后是1930年代的號(hào)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(lái)，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(gè)問題，開發(fā)了無(wú)源電子掃描天線陣列（PESA），該電子陣列通過每個(gè)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(gè)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(gè)問題。

AESA在單個(gè)外殼中的每個(gè)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(gè)關(guān)鍵特性是平穩(wěn)降級(jí)，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(shí)/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(dòng)性

生產(chǎn)，維護(hù)和可靠性

環(huán)境要求

沖擊和振動(dòng)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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