应用于笔记本上的可重构MIMO天线

1 引言

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。为了克服天线对整个通信系统发展的制约，可重构天线作为一种新型的天线起到了重要的作用，其研究旨在通过改变天线的某些特性参数，使天线能够根据实际需要实时重构天线。

应用于笔记本上的可重构MIMO天线

可重构天线按功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。

2 可重构天线的实现

2.1 频率可重构天线的实现为了避免暴露目标，提高抗干扰能力，通常要求天线具有多频工作能力，如何将工作在不同频率而辐射特性相近的多副天线通过重构的方法集中到同一天线口径当中是频率可重构天线研究设计的主要目标。

频率可重构天线的工作频率在一定的频率范围内具有离散或连续可调特性，而天线的辐射方向图基本保持不变。目前频率可重构天线实现的频率可调常用的方法包括通过在天线上加载开关器件，从而动态改变天线的谐振长度；使用可变电容，即通过偏置电路调节电容两端的偏压可改变电容量的大小，这便可以使天线的工作频率随之变化。当然，对于不同类型的天线也有其他的实现频率可重构的方法。

文献[1]提出的频率可调微带贴片天线如图1 所示，其介质基片是由空气和玻璃组成的双层结构。空气层厚度d 可以通过机械装置改变。随着d 的改变，整个基片的等效介电常数也随之改变，导致天线的谐振频率改变,即实现了频率的可重构。文献[2]提出的频率可重构微带天线是通过开关器件来改变天线的电流路径，其示意图如图2 所示。在天线的辐射贴片上开槽，槽的中央位置加载PIN 二极管，通过控制开关器件来改变天线的电流路径，实现天线频率可重构特性。

图1 介质基片可调的频率可调天线

图2 可切换缝隙天线结构示意图

2.2 方向图可重构天线的实现

在工程中，通常要求天线具有辐射方向图可变的特性，而传统的相控阵天线的馈电系统十分复杂，天线阵阵元间的距离比较大，整个系统的加工制作成本随着工作频率的增大急剧增加，因此研究方向图可重构天线是十分必要的。方向图可重构天线可以适时改变天线辐射方向，而其工作频率基本保持不变。重构天线方向图的主要手段是通过控制天线表面电流的分布情况，进而改变天线的辐射方向。方向图可重构天线的具体实现包括以下几种形式：

天线采用多馈点馈电，通过改变各个馈点的相位来改变天线的辐射方向；

采用Yagi 阵，在主辐射单元附近的寄生单元中加入开关或电抗可调器件；

用开关器件选通方位不同的天线辐射体等方法。文献[3]提出了一种方向图可重构的宽带印刷渐变缝隙天线，其中微带到槽线的转换结构如图3 所示，在槽线的合适位置加入PIN 二极管，通过控制PIN 二极管的通断，选通方位不同的天线辐射体，来达到实现方向图重构的目的。文献[4]提出的方向图可重构天线采用多馈点馈电，馈电点沿圆环均匀分布，如图4.1 所示。通过馈电网络使3 个馈电点产生不同的相位延迟，从而引起辐射方向图发生变化，实现了方向图的可重构。

图3 微带到槽线转换图

图4 环形天线示意图

2.3 极化可重构天线的实现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。极化可重构天线在改变极化方式的同时，工作频率和辐射方向图基本保持不变。按极化方式分类，目前的极化可重构天线大体分为三类：极化正交的两个线极化方式之间的切换；两个圆极化方式之间的切换；左、右旋圆极化以及线极化之间的切换。

极化可重构的主要方法包括：对馈电系统加载可变电抗或者切换馈电位置，产生不同工作模式的相对相位差；或在天线的合适位置刻蚀缝隙，通过对缝隙中的开关的控制，改变天线电流的流动路径，以产生相位差等。文献[5]提出的可切换圆极化可重构微带天线的结构示意图如图5 所示，天线单元上连接了2 个压电换能器（PET），2 个电介质振片分别与PET 相连，通过按下一个PET 抬起另一个PET 来达到实现左旋和右旋圆极化切换的目的。文献[6]提出的极化可重构天线结构如图6 所示。通过在天线表面刻蚀2 个相互垂直的缝隙，在缝隙的合适位置分别放置PIN 开关二极管，通过控制PIN 二极管的通断，可分别实现左旋和右旋圆极化。

图5 微带天线示意图

图6 圆极化可切换天线

2.4 混合可重构天线的实现前面介绍的三类可重构天线是可重构天线研究的热点，但是它们有一个共同的特点，就是只对天线的一种特性参数进行重构，而保持其他的特性参数不变。然而，在实际应用中，有时候则需要能够对天线的几种特性参数进行重构，这就是多种参数重构天线出现的目的。混合可重构天线是根据实际需求，对天线的频率、方向和极化方式进行2 个或者两个以上特性参数的重构。混合可重构天线的设计相对比较困难，其设计方法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。多参数可重构天线的工作灵活有效，在应用中可获得多种有效的分集作用，具有极大的实际应用价值。文献[7]提出的双频双极化的可控槽缝贴片天线的结构示意图如图7 所示。该天线由带缝隙的微带贴片天线和一个开关组成，当开关断开时，天线的谐振频率较低，实现右旋圆极化；当开关闭合时，天线的谐振频率较高，实现左旋圆极化。路的改变来影响天线的谐振频率，从而实现了天线在频率和方向图的同时可重构。

图7 可控槽缝贴片天线示意图

3 可重构天线的关键技术

可重构天线作为一种新型的天线，由于其本身存在的诸多优点逐渐吸引了众多研究人员的广泛注意，然而我们对其的认知仍然存在着不足，有诸多方面等待着我们进行深入的探索与研究。首先，深入研究可重构天线的体系结构，探讨更多的可重构天线的方案至关重要。目前可重构天线大多是基于单个天线的重构，无论从何种角度而言，单个天线的性能终究不如阵列的性能强大，所以对于可重构的阵列天线需进一步的探讨；

此外，目前大多数的可重构天线大都是基于微带天线构建的，我们有必要扩展更宽的领域来达到可重构的目的，分形天线正成为满足未来产品要求的一种有效方法，经典的分形天线诸如Koch 单极天线、Hilbert 分形天线等，分形天线结构具有多频特性，因此具有频率可重构的潜力，与此同时它能够有效的达到尺寸衰减以及RCS 衰减的目的，可广泛应用于无线通信系统之中。

所以，我认为开发基于分形天线的可重构天线，甚至基于分形天线阵列的可重构天线是非常有意义的。其次，开发水平更高的可重构天线仿真工具，探索更有效的优化算法。可重构天线的优化算法有很多，诸如遗传算法（GA）、蚁群算法（ACO）、粒子群算法（PSO）等。PSO 算法是一种基于群智能方法的进化计算技术，与遗传算法相比，具有思想简单且容易编程实现的优点，同时又有深刻的智能背景，既适合于科学研究，又适合于工程应用。

最后，可重构天线的技术发展很大程度上依赖于射频开关技术的发展。目前较为常用的开关有MEMS 和PIN 二极管开关。MEMS 开关具有理想的开关特性，开关比非常高，功耗低，接入电路中插损极小，采用CMOS 工艺制作，体积小，重量轻，便于集成，然而它的缺点是响应速度稍慢，所以在要求响应速度的地方，可以采用PIN 二极管开关，但它的隔离特性不如MEMS 开关，而且功耗大。基于以上考虑，研究性能更好的射频开关至关重要。

4 总结

本文在参考近些年来国内外对可重构天线最新研究成果的基础上，从可重构天线的功能、分类、实现方法进行了总结，最后对可重构天线的发展方向进行了概述。总而言之，相对于传统天线而言，可重构天线具有诸多优点，且具有相广阔的发展空间，所以对于可重构天线的研究至关重要。

延伸阅读：

可重构天线的概念提出于20世纪60年代。可重构是指多天线阵列中各阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的。它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构。

上海贝岭专利产品：发明提供了一种辐射方向图可重构的平板天线，包括：基板；接地板，其位于基板的中央区域，并且工作在主反射器模式下；多个驱动单元，其对称并且径向分布在接地板周围；多个寄生元件组，每个寄生元件组包括引向器与反射器，并且引向器与反射器依照驱动单元的位置分布在基板的外侧。本发明的天线具有如下优点：体积小、制造精度高、成本低，馈电网络较为简单并且阻抗匹配性能更好，RF能量传送能力较高。

可重构天线按功能可分为频率可重构天线( 包括实现宽频带和实现多频带) 、 方向图可重构天线 、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、波瓣图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构 。因其具有体积小、功能多、易于实现分集应用的优点，已经成为研究热点。一般而言，可重构天线的设计忽略了发射和接收机端复杂的信号形成和处理过程，其研究的重点在于天线的结构设计上。

研究背景

随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航、制导、警戒、武器寻的等目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得平台上所负载的重量不断增加，而且搭建天线所需的费用也不断上升，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。为减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能。采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，这种天线就称为可重构天线。由于技术尚未成熟，可重构天线的理论仍然不够系统，可重构天线在通信系统中的应用比较少。

分类

可重构天线按功能可分为频率可重构天线( 包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。

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。因此，可重构天线的设计需要高效的电磁分析手段，而不是等同于多个传统天线的简单叠加 。按照可重构的方法手段，又可以分为电子器件可重构，机械可重构及改变天线的材料特性三大类。按照上述分类，分别简要阐述一下各类天线的原理。频率可重构天线这类天线的工作频率在一定的频带范围内具有连续或离散可调能力，同时天线的辐射方向图，极化特性基本保持不变。

按照频率重构的方式，这类天线又可分为频率连续可调和频率离散可调两类。重构天线工作频率的方法有：加载开关，加载变容二极管，改变天线的机械结构及改变天线的材料特性。可重构天线的种类有微带贴片天线，平面振子天线，平面倒F天线(PIFA)和微带缝隙天线等。极化可重构天线此类天线能够在工作频率和辐射方向图不变的情况下，改变自身的极化特性。极化可重构天线大体分为三类：极化正交的两种线极化之间的切换；两种圆极化之间的切换；圆极化与线极化之间的切换。

极化可重构的主要困难在于，在实现极化可重构的同时要保持天线的频率特性的稳定。辐射方向图可重构天线此类天线是在保持天线频率和极化特性参数不变的情况下，对辐射方向图具有重构能力的天线。由于天线辐射结构上的电流分布直接决定了天线辐射方向图的特性，为了设计具有特定方向图的可重构天线，天线设计者必须要选择所需要的各种电流分布，以及在它们之间切换的方法。由于这种电流与辐射方向图之间的对应关系，使得在保证频率特性不发生很大改变的前提下获得方向图重构特性变得十分困难。但是，通过一些巧妙的设计也能够实现具有较好频率一致性的方向图可重构天线。

这其中，包括选择特定的天线结构，如反射面天线或寄生耦合天线，这类天线的输入端与天线结构的重构部分有着较好的隔离，这就允许天线的阻抗特性不随方向图的重构而发生较大改变。另外一种常用的方法就是利用补偿的方法或是提供可调节的阻抗匹配电路来保持频率特性的稳定。多电磁参数可重构天线混合方式可重构天线是指对天线的工作频率、极化方式和辐射方向图分别具有独立调节能力的天线，这也是可重构天线的终极目标。在前面我们提到，将天线的频率特性与其辐射特性分离是可重构天线的一个最大的难题。这种在单一天线上实现多种重构功能并且互不干扰将大大增加设计的难度。但是，这种混合方式的重构能使天线变得更加多功能化，会进一步提升其在无线通信系统的作用，提高通信系统的性能。

移动通信应用

在MIMO系统中的应用关于可重构天线的研究工作大部分集中在天线设计环节，而对其在无线通信系统中的应用研究较少。随着MIMO技术的发展以及对大容量高速率通信的需求，研究者们发现利用天线极化和方向图多样性的分集接收和发射可以降低MIMO系统中子信道的相关性，从而提高系统的容量。 [4] 因此，其应用前景广阔。例如，下面的例子表明，可重构天线能够起到扩展系统容量、降低初始干扰等作用。

扩展系统容量为应对数据流量的暴增，无线运营商正利用3G、LTE等技术及其他更优越的技术来增加网络容量，但同时尖端的基础构架解决方案也可用于对容量进行优化。可重构波束的基站天线通过平衡负载、降低干扰和优化覆盖模式对容量需求的满足起到了促进作用。为了应对峰值流量，运营商将简单地加入更多的基站以超额建设网络，但折旧导致了昂贵的无线电基站容量的低效使用。 [5] 为此有必要采用新的方法提高基站资源利用率。因为用户移动并不是混乱无序的，而是可预测的，所以这为可重构天线的使用创造了条件。简而言之，在工作周期间，绝大多数流量通常是在早上从各居住区向各商业区域移动，然后在商业区停留一整天，最后傍晚或晚上时返回到居住区。

可以轻易地从这转换中捕获到普通的流量模式，并产生新的无线电规划。例如：针对上班时间的无线电规划，白天集中在商业区域；针对上下班高峰时段的无线电规划，覆盖通勤者和工人；晚间或周末规划针对用户在家时；各规划可以具有不同的网络配置。可重构波束天线能够对改变中的流量模式作实时调整，可以通过下倾波束来动态地跨一个基站的所有小区平衡负载容量，通过正负30°来改变波束的水平方向角，还可在35°到105°之间改变光束宽度。由于流量通常出现在各热点区域，使得一些区域超负载因而拒绝新的呼叫，而邻近的各区域仍未得到完全利用。由于可连续调整的波束通过三维成形，因而流量在整个网络得到更均匀的分布，进而保证了容量的有效使用。

这些三自由度也改变了天线的增益，意味着可重构天线可以将其增益从带有14dBi增益的105°天线改变到带有18dBi增益的65°天线，或到20dBi增益的35°天线，从而有助于增大有高度干扰的区域的信噪比。可重构波束天线的独特三自由度有助于降低敏感的3G和4G网络中的干扰以及提供最佳的可能覆盖模式。提高性能，降低干扰网络规划工程师试图为限制初始干扰挑选出最优质的天线，但是通常需要在具备水平波束宽度为65°或90°的天线之间作出妥协。90°天线的波束十分适合用于区域内的信号电平，并且具备非常低的小区之间的零点（约6dB）。但是90°天线的劣势在于，由于其水平场图滚降不如65°天线，导致产生更大的相邻小区重叠（约90°重叠）。

为减少区域重叠，65°天线由于能提供更好的滚降（也就是说干扰更少）而被广泛使用。但是其在区域内的覆盖面不如90°天线广阔，而且其小区之间的零点指标也比不上90°天线。对于普通的90°水平波束天线来讲，具有三自由度的可重构波束天线采用多阵列结构，能够形成优秀的场图和水平场图滚降特性。设置在90°水平波束宽度，可重构定向天线实质上结合了65°和90°天线的优势，形成一个优良的场图。