可重構(gòu)天線的研究

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1、科技文獻(xiàn)檢索課程論文可重構(gòu)天線的研究摘要:可重構(gòu)天線作為一種新型的天線,與傳統(tǒng)天線相比具有尺寸小、重量輕、利于實(shí)現(xiàn)分集等優(yōu)點(diǎn)和廣闊的發(fā)展前景?；仡櫫丝芍貥?gòu)天線的發(fā)展歷程,總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于可重構(gòu)天線的最新研究成果,并從可重構(gòu)天線的功能、使用的關(guān)鍵器件、設(shè)計(jì)方法與電路特點(diǎn)等方面對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析。從多個(gè)角度給出了可重構(gòu)天線的分類與總結(jié),并就可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法與電路特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述和舉例說(shuō)明。最后對(duì)可重構(gòu)天線的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞可重構(gòu)天線電磁分析開關(guān)元件天線設(shè)計(jì)1引言天線作為一種用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)

2、線電波的部件,在無(wú)線通信系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用,是無(wú)線通信系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。隨著高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)、無(wú)線通信系統(tǒng)，尤其是全球3G和4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的飛速發(fā)展,對(duì)天線的要求也越來(lái)越高。一方面,需要使天線能夠工作在多個(gè)頻帶,具有多種工作模式并具有良好的傳輸性能。另一方面,又要減輕天線的重量、減小天線體積并降低成本。正是由于這樣的需求,可重構(gòu)天線的概念被提出并得到蓬勃發(fā)展。1983年,D.Schaubert在他的專利“Frequency-Ag-ile,PolarizationDiverseMicrostri

3、pAntennaandFrequencyScannedArrays”中首次使用了可重構(gòu)天線的概念[1]。1999年,美國(guó)12所著名大學(xué)、研究所和公司在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)的“ReconfigurableApertureProgram(RECAP)”研究計(jì)劃中[2],初步對(duì)可重構(gòu)天線進(jìn)行了研究與探索,并取得了一定的進(jìn)展。同時(shí)隨著高性能、低功耗的微電子機(jī)械(MEMS)開關(guān)的發(fā)展，對(duì)可重構(gòu)天線的研究才進(jìn)一步深人。目前大多數(shù)可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)采用MEMS開關(guān)。MEMS開關(guān)具有理想的開關(guān)特性，開關(guān)比非常高，可實(shí)

4、現(xiàn)從直流到高于4OGHZ射頻信號(hào)的隔離。同時(shí)，它功耗低，接人電路中插損極小，而且采用CMOS工藝制作，體積小，重量輕，便于集成。它的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度稍慢，需要幾微秒到幾十微秒的時(shí)間。在要求響應(yīng)速度的地方，可以用PIN二極管開關(guān)，但它的隔離特性不如MEMS開關(guān)，而且功耗大。近年來(lái)國(guó)內(nèi)可重構(gòu)天線的研究也得到了很大的重視,王秉中等人研究較早并獲得了一定的成果?？芍貥?gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)天線(包括實(shí)現(xiàn)寬頻帶和實(shí)現(xiàn)多頻帶)、方向圖可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線和多電磁參數(shù)可重構(gòu)天線。通過(guò)改變可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)可以使天線的頻率

5、、方向圖、極化方式等多種參數(shù)中的一種或幾種實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。這樣可以通過(guò)切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式,有利于在傳輸中實(shí)現(xiàn)多種有效的分集。因此,可重構(gòu)天線作為一種新型天線即將成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一。特別是近些年來(lái),可重構(gòu)天線在MIMO系統(tǒng)中作為發(fā)射天線或接收天線所具有的潛在應(yīng)用價(jià)值得到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的重視[3]。2可重構(gòu)天線的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)[4]2.1可重構(gòu)天線的基本原理天線設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的電磁問(wèn)題,雖然天線的種類形形色色,但其本質(zhì)歸根到底就是設(shè)計(jì)一個(gè)具有特定電流分布的輻射體。天線所要求

6、的各個(gè)參數(shù)都是由其輻射體或包圍輻射體的封閉面上的電流分布決定的?？芍貥?gòu)天線作為一種新型的天線,之所以可以重構(gòu)天線的參數(shù)、具有可切換的不同的工作模式,其本質(zhì)也就是通過(guò)改變天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)而改變天線的電流分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)需要高效的電磁分析手段,而不是等同于多個(gè)傳統(tǒng)天線的簡(jiǎn)單疊加。目前在可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)的電磁分析中廣泛使用的方法有:時(shí)域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)、矩量法(MoM)等。特別是FDTD,由于它具有建模容易、計(jì)算時(shí)間短、對(duì)電磁特性模擬精確等優(yōu)點(diǎn),因此在可重構(gòu)天

7、線的設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用價(jià)值。2.2可重構(gòu)天線的關(guān)鍵技術(shù)為了改變天線的電流分布,其中一種有效的方法就是使用可變電容,這在頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)中常常使用,即通過(guò)偏置電路調(diào)節(jié)電容兩端的偏壓可改變電容量的大小,這樣可以使天線的工作頻率隨之變化,從而實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)。另一種常用的手段是通過(guò)使用開關(guān)元件來(lái)切換選擇天線的不同工作結(jié)構(gòu),改變天線的電流分布,從而實(shí)現(xiàn)天線多種工作模式的選擇。目前常用的開關(guān)有MESFET開關(guān)、PIN開關(guān)、MEMS開關(guān)等。特別是MEMS開關(guān)的應(yīng)用,使得可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)有了質(zhì)的飛躍。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS

8、)又可稱為微機(jī)電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的PIN二極管開關(guān)和MESFET開關(guān)相比,微電子機(jī)械系統(tǒng)開關(guān)具有低導(dǎo)通電阻、高斷開隔離度、低插入損耗和低寄生電容等優(yōu)良的射頻特性及它具有小尺寸的特點(diǎn)[5],使得它更適合應(yīng)用于可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)。另外,在設(shè)計(jì)中還有很多種其他的關(guān)鍵元器件的應(yīng)用,如硅光電開關(guān)、壓電換能器(PET)、可調(diào)松緊度的螺旋結(jié)構(gòu)等。3可重構(gòu)天線的實(shí)施方案3.1頻率可重構(gòu)天線要改