【無(wú)線射頻天線】-新型天線技術(shù)研究進(jìn)展

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----新型天線技術(shù)研究進(jìn)展由于現(xiàn)有的天線技術(shù)固有的缺點(diǎn)（陣列耦合、可重構(gòu)難度大、射頻隱身性能差等）或無(wú)法滿意新形式下的應(yīng)用需求（植入式設(shè)備、星載應(yīng)用等），討論人員近年對(duì)新型天線綻開(kāi)了系列討論液體天線、等離子體天線、超材料天線、納米光線天線、植入式天線、可折疊天線等。

1、液體天線

液體天線的消失，打破了傳統(tǒng)固體天線的概念，其特有的性能和優(yōu)勢(shì)，為天線理論和應(yīng)用開(kāi)拓了一片新天地。液體天線是指用液體取代固體天線輻射單元所使用的固態(tài)材料，構(gòu)成以液體為輻射單元的天線，與傳統(tǒng)的固態(tài)天線相比，液體天線可塑性、可重構(gòu)性強(qiáng)，具有低雷達(dá)散射截面，能有效改善電磁耦合特性，在無(wú)線通信方面具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

液體天線，是指用導(dǎo)電液體取代一般天線輻射單元所使用的金屬材料所構(gòu)成的天線。液體天線有使用離子液體作輻射單元的，也有采納液態(tài)金屬或液晶材料的。相比于傳統(tǒng)的金屬天線，液體天線能夠在不施加壓力的狀態(tài)下變化成各種外形，彎折也不會(huì)導(dǎo)致材料疲憊，甚至能在被破壞之后自我修復(fù)并且能消退空氣縫隙，具有巨大的優(yōu)勢(shì)和進(jìn)展前景。

液體的諸多優(yōu)點(diǎn)為我們供應(yīng)了天線設(shè)計(jì)的新思路。液體或是液態(tài)金屬良好的結(jié)構(gòu)柔韌性為天線制造供應(yīng)了兩大優(yōu)勢(shì)突破。

（1）天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由液體來(lái)體現(xiàn)穩(wěn)定性，聽(tīng)上去似乎很不合理，但是當(dāng)天線能夠工作在液體或是液態(tài)金屬狀態(tài)下時(shí)，我們?cè)僖膊槐負(fù)?dān)憂電影里那些爆炸場(chǎng)景的消失，液態(tài)天線將在受到?jīng)_擊的幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原樣并連續(xù)工作，這一情景將是革命性的。

（2）液體給天線的重構(gòu)供應(yīng)了極大地便利條件。我們可以通過(guò)掌握液體的形態(tài)來(lái)轉(zhuǎn)變天線的結(jié)構(gòu)，從而使天線在不同的頻段下都可以工作，特別敏捷。這對(duì)于小型通訊設(shè)備的天線設(shè)計(jì)中所遇到的空間小、排線簡(jiǎn)單等難題供應(yīng)了解決方法。

2、等離子體天線

等離子體天線是一種氣態(tài)可重構(gòu)天線，采納電離惰性氣體形成的等離子體代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬天線放射或接收電磁波。由于等離子體固有的特性，等離子體天線具有突出的隱身性能，即使在工作狀態(tài)也不會(huì)反射通常的雷達(dá)波。而且，等離子體天線的寬帶、可重構(gòu)性能特殊適用于擴(kuò)頻、跳頻等主動(dòng)隱身技術(shù)。

等離子體天線的主要結(jié)構(gòu)是一段封閉有惰性氣體的絕緣介質(zhì)腔體（例如石英玻璃管）。當(dāng)該腔體的一端（通常是底部）耦合有射頻能量時(shí)，惰性氣體開(kāi)頭電離生成等離子體。隨著入射能量的增加，整個(gè)腔體可以逐步被等離子體柱體布滿。由于等離子體的導(dǎo)電性，束縛在介質(zhì)腔體的等離子柱體可以猶如金屬天線一樣放射和接受電磁波。

由于等離子體具有獨(dú)特的物理特性，等離子體天線具有很多不同于金屬天線的優(yōu)點(diǎn)：

a)隱身特性。當(dāng)天線關(guān)閉時(shí)，等離子體天線系統(tǒng)幾乎沒(méi)有金屬部件，雷達(dá)散射截面將很小，在電子戰(zhàn)中實(shí)現(xiàn)隱身，提高生存力量。

b)降低互耦。在陣列天線中，非工作單元與工作單元之間幾乎不會(huì)產(chǎn)生互耦，大幅度降低了陣列單元間的干擾，提高了天線的性能。

c)輻射部件電掌握。不需要轉(zhuǎn)變天線的物理結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)變等離子體的氣體成分和電子濃度等物理參數(shù)就可以對(duì)天線的頻率、帶寬和方向性等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線的電控。

d)解決大功率問(wèn)題。采納高壓脈沖等離子體天線，可以解決目前微波天線設(shè)計(jì)中的大功率問(wèn)題，避開(kāi)了高壓燒毀饋線和天線的狀況。

e)結(jié)構(gòu)精致。天線中的放電管可以是強(qiáng)度高的石英玻璃管，相對(duì)于金屬天線，玻璃制品的重量更輕，體積更小，提高了裝配效率。

等離子體天線的主要技術(shù)問(wèn)題

困擾等離子體天線討論的最大技術(shù)問(wèn)題是難以達(dá)到一般金屬天線的性能指標(biāo)。依據(jù)國(guó)外已公開(kāi)文獻(xiàn)研制的等離子體天線樣機(jī)，其增益通常比同規(guī)格金屬天線低20分貝左右，基本上沒(méi)有有用價(jià)值。

另外，由于等離子體天線的耦合與匹配方式與金屬天線完全不同。等離子體天線除了饋入正常的微波信號(hào)，還需要在底部饋入激勵(lì)功率以形成并維持等離子體柱體。這兩路射頻功率需要接入天線底部的同一個(gè)耦合腔體，不但會(huì)帶來(lái)嚴(yán)峻的相互干擾，而且匹配效率也特別低。因此，等離子體天線不但增益難以達(dá)標(biāo)，而且為激發(fā)等離子體形成天線所需的功耗也特別驚人。

3、超材料天線

Metamaterial(超材料)，其中拉丁語(yǔ)詞根"meta-'表示"超出、另類'等含義，因此一般文獻(xiàn)中給出人工電磁材料的定義是"具有自然?材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。'也就是大家津津樂(lè)道的"超材料'。Meta材料具有自然界中原有材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)，其中消失了很多全新的物理現(xiàn)象。目前關(guān)于Meta材料的物理特性討論，及其在定向輻射高性能天線、電磁隱身、空間通信、探測(cè)技術(shù)和新型太赫茲波段功能器件等領(lǐng)域的應(yīng)用討論開(kāi)頭成為國(guó)際物理學(xué)和電磁學(xué)界的討論熱點(diǎn)。

人工電磁材料（Metamaterials，Meta材料）是將人造單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列形成的具有特別電磁特性的人工結(jié)構(gòu)材料。目前討論較多的幾種超材料包括：左手材料、復(fù)合左/右手傳輸線、光子晶體、隱形衣、電磁黑洞等。

人工電磁超材料的提出，通過(guò)合理設(shè)計(jì)超材料的結(jié)構(gòu)單元使其對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的諧振，從而掌握其負(fù)折射率帶寬的范圍。再通過(guò)將超材料單元與天線合理的集成，可以在不大幅度更改天線結(jié)構(gòu)的狀況下，提高天線的增益和定向性。

4、可植入天線

電子電路集成系統(tǒng)以及小型化天線技術(shù)的不斷進(jìn)展，使得無(wú)線能量傳輸與數(shù)據(jù)遙測(cè)在無(wú)線生物醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用成為可能，呈現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。這種進(jìn)展已經(jīng)促進(jìn)了無(wú)線能量和數(shù)據(jù)遙測(cè)在生物醫(yī)療診斷和治療方面的多種應(yīng)用，包括人體心臟起搏器、人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、用于檢測(cè)葡萄糖、PH值、血壓、溫度等無(wú)線傳感設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。由于人體組織與無(wú)線能量及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的強(qiáng)耦合，導(dǎo)致了對(duì)無(wú)線設(shè)備電磁特性的劇烈影響，如何精確設(shè)計(jì)無(wú)線醫(yī)療設(shè)備是目前電子科學(xué)、生物電磁學(xué)領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵難題。

在可植入式無(wú)線醫(yī)療討論中，面臨著諸多難題亟待突破，其中如何精確考慮人體環(huán)境對(duì)植入設(shè)備的工作性能影響、無(wú)線植入設(shè)備的工作能源補(bǔ)充等是當(dāng)前該領(lǐng)域的兩大核心難題。

5、納米光學(xué)天線

納米光學(xué)天線是物理光學(xué)的新概念，與無(wú)線電波天線和微波天線類似，都是把自由傳播的能量轉(zhuǎn)化為局域能量。但是，不同于傳統(tǒng)天線由電流驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)場(chǎng)－電流能量相互轉(zhuǎn)換工作原理，納米光學(xué)天線是基于金屬納米顆粒在光波頻率下特別的光電表面性質(zhì)局域等離激元而工作的。

其與射頻天線的顯著區(qū)分主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，在光波段，由于天線的損耗極高，抱負(fù)電導(dǎo)體的模型在光波段不適用；其次，在納米尺寸范圍內(nèi)，由于表面等離激元等物理現(xiàn)象的存在，尤其是亞波長(zhǎng)場(chǎng)的限制，天線特性呈現(xiàn)出明顯的不同。

納米光學(xué)天線不僅能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度上的光場(chǎng)操控，還可以有效地增加局域場(chǎng)強(qiáng)度，因此在光電探測(cè)、傳感、熱傳導(dǎo)、太陽(yáng)能電池、以及光譜分析等等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。

6、可折疊天線

天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件，成為各國(guó)事領(lǐng)域致力進(jìn)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。就太空領(lǐng)域而言，太空之間、太空與地面之間的聯(lián)絡(luò)離不開(kāi)高增益天線。在地面上，執(zhí)行遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)任務(wù)的班、排或單兵欲取得和指揮部的聯(lián)絡(luò)也離不開(kāi)高增益天線。對(duì)此時(shí)的機(jī)動(dòng)分隊(duì)而言，重量、架設(shè)難易度便成為天線在遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)中的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。反射面天線屬于一種高性能的高增益天線，迄今為止該類型天線已經(jīng)在衛(wèi)星、機(jī)載雷達(dá)、地面站、移動(dòng)通信站、車載站等場(chǎng)合中得到了廣泛的應(yīng)用討論。常規(guī)的反射面天線由于多采納剛性板塊構(gòu)成，因而存在重量大、成本高、架設(shè)難度大等缺點(diǎn)，不符合將來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)通信設(shè)備機(jī)動(dòng)敏捷性的要求。因此，可折疊反射面天線就成了衛(wèi)星通信和深空通信的最佳選擇。

在衛(wèi)星應(yīng)用中，由于受航天運(yùn)載工具整流罩容積的限制，衛(wèi)星放射時(shí)天線必需折疊起來(lái)保藏于衛(wèi)星罩內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星入軌后，天線再靠自帶的動(dòng)力源自動(dòng)綻開(kāi)，這就是所謂的可折疊式反射面天線

（1）固面反射面

多數(shù)固面反射面天線由中心轂和剛性板塊組成。固面反射面材料多選用金屬板或者碳纖維增加塑料(CTFR)。由于板塊可加工成較為抱負(fù)的拋物面，因而這種反射面的最大優(yōu)點(diǎn)是精度較高。

此類天線具有重量大、造價(jià)高、收縮比小的缺點(diǎn)，僅局限于尺寸較小的可綻開(kāi)天線，故其應(yīng)用較少。

（2）充氣式反射面

充氣式天線的主要構(gòu)件由薄膜粘結(jié)而成。在放射前由于沒(méi)有充氣，故可壓縮成很小的體積而存放在盒內(nèi);進(jìn)入軌道后，充氣并膨脹綻開(kāi)。通過(guò)太陽(yáng)輻射使形面固化成所要求的曲面外形。這種天線的優(yōu)點(diǎn)是收縮比較高、重量輕、加工費(fèi)用低。盡管充氣式天線的反射器直徑可以做得很大，但是很難獲得高精度的反射面，故其工作頻率較低。

（3）網(wǎng)狀反射面

網(wǎng)狀反射面是將剛性固面反射面用金屬網(wǎng)代替，質(zhì)量較輕、收縮比大、工作頻帶寬，波導(dǎo)饋電系統(tǒng)可以工作在大功率，且簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)多波束、多頻段、多極化以及電掃描和電控波束寬度