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1、,目录,可重构天线的原理,可重构天线的设计方法,可重构天线的分类,可重构天线的发展趋势,待解决问题,可重构天线的关键技术,可重构天线,星载合成孔径雷达,无人机用合成孔径雷达,可重构天线,可重构天线基本原理,可重构天线作为一种新型的天线,之所以可以重构天线的参数、具有可切换的不同的工作模式,其本质也就是通过改变天线的结构进而改变天线的电流分布来实现的。,可重构天线设计的方法,特别是FDTD,由于它具有建模容易、计算时间短、对电磁特性模拟精确等优点,因此在可重构天线的设计中有很大的应用价值,可重构天线的关键技术,1.使用可变电容 2.通过使用开关元件来切换选择天线的不同工作结构,改变天线的电流分布
2、,从而实现天线多种工作模式的选择。 3.硅光电开关、压电换能器(PET)、可调松紧度的螺旋结构,可重构天线的分类,按照功能分类,频率可重构天线,理想的频率可重构天线指的是保持天线其他特性不变，在一定频带范围内具有离散或连续可调特性,这些方法都依据相同的工作原理:改变天线的有效电长度从而使频率发生变化,频率可重构天线的设计方法,可控缝隙,可控缝隙法主要有2种:开关可控缝隙 开关可控缝隙是在缝隙中加载开关来实现，因天线的频率与天线表面电流的有效电长度有关，所以通过开关控制电流的流向改变有效电长度，实现频率的可重构变容二极管可控缝隙. 变容二极管可控缝隙是在缝隙中加载变容二极管来实现的，通过改变变容
3、二极管的偏置电压使其容值发生改变.,上图所示的槽线矩形环频率可重构天线的工作原理是通过开关器件的通断状态来改变谐振长度的物理尺寸，从而实现天线频率的可调特性。 图1.1（a）中外环的周长确定了较低的频率，而图1.1（b）中内环的周长则确定较高的频率。 通过仿真软件可得到 两个工作频率分别为 3.0GHz和8.3GHz。在这两个工作频率下，天线的辐射方向图比较接近,开关可控缝隙,上图天线是通过开关器件改变了天线的电流路径，实现天线频率重构特性。 天线辐射贴片上垂直天线工作模式方向开槽，以改变贴片上电流路径。槽的中央位置加载PIN开关二极管，当开关截止时，近似开路，电流路径如图1.3（b）所示，相
4、对较长，此时天线谐振频率相对比较低；而当开关导通时，导通电阻很小，近似短路，电流路径如图1.3（c）所示，路径较短，此时对应的天线的工作频率相对比较高。,变容二极管可控缝隙,如图2.天线由一个填满聚四聚乙烯的背腔和带有缝隙的金属贴片组成，在缝隙中加载变容二极管.天线采用微带线馈电，微带馈线跨过缝隙通过探针与贴片连接，天线辐射特性S与偏置电压的关系如图2c).可以看出，随着偏置电压从0V变化到20 V，频率在1 GHz到1.9 GHz连续变化，而天线的辐射方向图与极化方式都几乎没有改变，很好的达到了重构天线频率的目的.,可控短路结构,在天线的适当位置加载可控短路结构能显著的改变天线的工作频率,加
5、载短路结构可以改变天线电流的路径，进而改变天线的频率，实现频率可重构,短路结构一般为,加载短路壁的频率可重构天线,一个频率可重构的单极圆形贴片天线，天线结构如图3a).天线由2个圆形贴片组成，顶面贴片通过电容藕合的方式与中间的贴片连接，中间的贴片与同轴馈电探针连接天线含有1对可控短路针和2对可控短路壁，控制短路结构的通断改变天线的电流路径，从而改变天线的工作频率，天线的工作方式如图3b).可以看出，通过控制合适的短路结构的通断，能重构出3个工作频段，实现4个通信频段的应用，而天线的方向图没有太大的改变.,改变天线辐射结构,基于PIFA天线的频率可重构天线,利用纳米机电开关设计了基于PIFA天线
6、的频率可重构天线.天线由1个基本的PIFA天线和3个共面的矩形贴片A,B,C组成，通过纳长机电开关连接基本PIFA与三个矩形贴片.纳米几电开关具有微电子机械系统( MEMS)开关的优点(内插损耗,较高的隔离度等)，且克服了MEMS工作速度慢、工作电压较高的缺点.每个矩形贴片通过3个纳米机电开关同PIFA天线连接，控制开关的状态，可以选择不同的贴片连接到天线，促使天线的电流路径与长度改变，重构天线的频率.,开关的不同状态组合所对应的工作频率如表1所示(ABC表示与B相连接的开关闭合，而其他开关断开)，可以看出:GSM900 , GPS1575 2个频段在3个工作模式中都没有改变，而通过控制开关状
7、态产生另外3个频段(GSM1800, PCS1900, UMTS2100 )，实现天线的频率可重构.文献测量表明，天线的方向图几乎没有改变，具有稳定的方向性.,其他方法实现频率可重构,其他方法实现频率可重构,应用静电场可以改变铁电体材料的相对介电常数，而应用静磁场可以改变铁氧体材料的相对磁导率。这些相对介电常数和磁导率的变化会导致天线有效电长度的改变，从而改变天线的工作频率,方向图可重构天线,方向图可重构天线的设计,目前，方向图可重构天线具体实现大体有以下几种形式： 1.天线采用多馈电馈电，通过改变各个馈电的相位来改变天线的辐射方向。 2.采用Yagi阵，在主辐射单元附近的寄生单元中加入开关或
8、电抗可调器件控制天线的辐射方向。,方向图可重构天线的设计,3.用开关器件选通方位不同的天线辐射体来改变天线的辐射方向。 4.在天线口径中加载开关或电抗可变的器件，改变天线电流分布，以获得天线辐射方向可变特性。 5.使用机械方式改变天线形状，使天线辐射方向发生改变,如图是一种多馈点的方向图可重构微带天线，该天线共有3个馈电点，沿圆环均匀分布，如图1.5（a）所示。这3个馈电点等幅激励，馈电相位可以通过图1.5（b）中馈点网络来调整。该馈电网络一共使用了6只SPDT开关，通过这些开关选通不同相位延迟的微带线，能够在3个馈电点产生不同的相位延迟。当这3个馈电点相位发生变化时，天线上的电流分布也随之变
9、化，从而引起辐射方向图发生变化，该天线能够在水平面上实现360全向扫描，扫描角度间隔为120。,基于寄生原理的方向图可重构天线,天线的基本结构如图4.该天线由1个微带八木天线和4个开关组成，改变寄生单元(反射单元和引向单元)结构可以重构天线的方向图. 天线工作于两个模式:当K1,K2断开K3,K4闭合时，微带线3为引向器，微带线2为反射器，记为R模式，主要波束方向=31，-3 db波束范围为3-55;当K1,K2闭合K3 , K4断开时，微带线2变为引向器微带线3为反射器，记为L模式，主要波束方向=-32，-3 db波束范围为-4-56. 可以看出，天线的方向图得到重构，而由于天线的结构对称，
10、频率没有变化,极化可重构天线,随着日益复杂的电磁通信环境，无线电信号的多径衰落效应会对目前许多无线通信系统的通信质量造成严重影响. 利用极化可重构天线不仅可以消除多径衰落效应，还可以增加频率的复用，所以极化可重构逐渐成为可重构天线研究的一个热点.,极化可重构的主要分类有:,如图，介绍了用一个天线实现左旋圆极化和右旋圆极化的方法 。 微带贴片天线上有两个垂直的槽，每个槽上分别放置一个PIN二极管，两个开关的开闭状态会影响天线上两种传输模式的谐振频率。恰当的选择槽的长度和位置，一个开关闭合而另一个开关断开，可以使两种模式的场幅度相同而相位相差90 ，这样就可以分别实现左旋和右旋圆极化方式,如图是一
11、种微带贴片形式的极化可重构天线，该天线能够在左右旋圆极化和线极化3种不同的极化方式工作。 天线方形贴片的4个角分别用细槽与主辐射贴片隔开，并加载了4只PIN开关二极管。开关导通时，可以近似等效为1.5欧姆的电阻；截止时，二极管等效为0.35pF的电容。当二极管1和3导通时，天线的工作频率1.599GHz,极化方式为左旋圆极化；当开关2和4导通时，天线的工作频率1.604GHz，极化方式为右旋圆极化；当所有二极管导通时，天线的工作频率为1.579GHz；极化方式为线极化；当所有二极管截止时，天线的工作频率为1.609GHz，极化方式为线极化。 由上述可知，该天线有极化可重构能力，但不同极化方式下
12、天线的工作频率存在明显的频率偏移,混合可重构天线,混合可重构是根据实际需求，对天线的频率、方向和极化方式进行两个或者两个以上特性参数的重构. 混合可重构天线设计比较困难，主要是结合频率可重构天线、方向图可重构天线以及极化可重构天线的设计方法,基于印刷振子的同时改变频率和方向图的混合可重构天线，通过开关控制天线的结构,当所有开关都闭合时，天线为一个带反射器的偶极子天线，波束定向辐射，工作频率范围为2. 37-2. 73 GHz;当所有开关都断开时，天线为一个单极子天线，波束全向辐射，工作频率范围为2. 18-2. 53 GHz.,频率和极化方式同时可重构的微带缝隙天线,该天线由带缝隙的微带贴片天
13、线和一个开关组成，天线同轴馈电在矩形贴片的对角线上.选择合适的馈电位置、贴片以及缝隙的大小，通过控制开关的状态可以同时改变天线的频率和极化方式.当开关闭合时，中心工作频率为4. 55GHz，辐射波的极化方式为左旋圆极化;当开关断开时，中心工作频率为4.20GHz，辐射波的极化方式为右旋圆极化.,发展趋势,虽然可重构天线在近年来得到了高度重视，并且研究发展迅速，但是在具体实现上还存在一些难点和瓶颈。 首先，开关的引入会影响天线的电流分布，天线产生的辐射场，对射频开关的性能也会带来影响，而目前有不少关于可重构天线的研究并没有采用真实的开关。 其次，可重构天线的研究成果中极少提到偏置电路的设计思路。
14、 最后，可重构天线包含了天线本身、射频开关、直流偏置电路等方面的内容，而绝大部分的研究仅限于开关和天线本身，很少有对可重构天线进行整体性研究的例子,发展趋势,可重构天线已经成为天线领域的研究热点，但是国内的研究开展的相对较少，尚处于起步阶段.现阶段研究的内容是可重构带阻天线、可重构超宽带天线以及并行计算在可重构天线中的优化应用,待解决问题,1）可重构天线的技术发展很大程度依赖于射频开关技术的发展.目前常用的MEMS开关和PIN二极管开关都能很好的集成到天线中，但是都有一些缺点: MEMS开关的电压较高，且切换速度慢; PIN二极管开关的偏置电路较为复杂. 将光电开关应用到可重构天线的设计中，具有切换速度快、电磁透明度高以及隔离性强等优点，但是关电开关的成本较高，实际应用较为困难.所以，研制性能更好的射频开关是可重构天线迈向实 际应用的门槛.,待解决问题,2)目前对于可重构天线的研究仍然依赖于电磁仿真软件和实验，没有有效的分析和设计的理论和方法. 随着智能算法的发展，一些智能算法如人工神经网络、遗传算法以及粒子群算法等都已经成功的应用到电磁优化问题中。 比如通过将新型量子遗传算法与通用的空域矩量法结合，设计出了一种对可重构微带天线的快速优化设计方法，结果表明结合智能算法对可重构天线进行优化具有广阔的应用前景,
