1 引言

天線作為一種用來發射或接收無線電波的部件，在無線通信系統中起到了舉足輕重的作用，是無線通信系統中不可缺少的組成部分。為了克服天線對整個通信系統發展的制約，可重構天線作為一種新型的天線起到了重要的作用，其研究旨在通過改變天線的某些特性參數，使天線能夠根據實際需要實時重構天線。

應用于筆記本上的可重構MIMO天線

可重構天線按功能可分為頻率可重構天線、方向圖可重構天線、極化可重構天線和多電磁參數可重構天線。通過改變可重構天線的結構可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數中的一種或幾種實現重構。這樣可以通過切換天線不同的狀態使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現多種有效的分集。

2 可重構天線的實現

2.1 頻率可重構天線的實現為了避免暴露目標，提高抗干擾能力，通常要求天線具有多頻工作能力，如何將工作在不同頻率而輻射特性相近的多副天線通過重構的方法集中到同一天線口徑當中是頻率可重構天線研究設計的主要目標。

頻率可重構天線的工作頻率在一定的頻率范圍內具有離散或連續可調特性，而天線的輻射方向圖基本保持不變。目前頻率可重構天線實現的頻率可調常用的方法包括通過在天線上加載開關器件，從而動態改變天線的諧振長度；使用可變電容，即通過偏置電路調節電容兩端的偏壓可改變電容量的大小，這便可以使天線的工作頻率隨之變化。當然，對于不同類型的天線也有其他的實現頻率可重構的方法。

文獻[1]提出的頻率可調微帶貼片天線如圖1 所示，其介質基片是由空氣和玻璃組成的雙層結構?？諝鈱雍穸萪 可以通過機械裝置改變。隨著d 的改變，整個基片的等效介電常數也隨之改變，導致天線的諧振頻率改變,即實現了頻率的可重構。文獻[2]提出的頻率可重構微帶天線是通過開關器件來改變天線的電流路徑，其示意圖如圖2 所示。在天線的輻射貼片上開槽，槽的中央位置加載PIN 二極管，通過控制開關器件來改變天線的電流路徑，實現天線頻率可重構特性。

圖1 介質基片可調的頻率可調天線

圖2 可切換縫隙天線結構示意圖

2.2 方向圖可重構天線的實現

在工程中，通常要求天線具有輻射方向圖可變的特性，而傳統的相控陣天線的饋電系統十分復雜，天線陣陣元間的距離比較大，整個系統的加工制作成本隨著工作頻率的增大急劇增加，因此研究方向圖可重構天線是十分必要的。方向圖可重構天線可以適時改變天線輻射方向，而其工作頻率基本保持不變。重構天線方向圖的主要手段是通過控制天線表面電流的分布情況，進而改變天線的輻射方向。方向圖可重構天線的具體實現包括以下幾種形式：

天線采用多饋點饋電，通過改變各個饋點的相位來改變天線的輻射方向；

采用Yagi 陣，在主輻射單元附近的寄生單元中加入開關或電抗可調器件；

用開關器件選通方位不同的天線輻射體等方法。文獻[3]提出了一種方向圖可重構的寬帶印刷漸變縫隙天線，其中微帶到槽線的轉換結構如圖3 所示，在槽線的合適位置加入PIN 二極管，通過控制PIN 二極管的通斷，選通方位不同的天線輻射體，來達到實現方向圖重構的目的。文獻[4]提出的方向圖可重構天線采用多饋點饋電，饋電點沿圓環均勻分布，如圖4.1 所示。通過饋電網絡使3 個饋電點產生不同的相位延遲，從而引起輻射方向圖發生變化，實現了方向圖的可重構。

圖3 微帶到槽線轉換圖

圖4 環形天線示意圖

2.3 極化可重構天線的實現隨著日益復雜的電磁通信環境，無線電信號的多徑衰落效應對目前許多無線通信系統的通信質量造成嚴重影響。利用極化可重構天線不僅可以消除多徑衰落效應，還可以增加頻率復用。所以極化可重構逐漸成為可重構天線研究的一個熱點。極化可重構天線在改變極化方式的同時，工作頻率和輻射方向圖基本保持不變。按極化方式分類，目前的極化可重構天線大體分為三類：極化正交的兩個線極化方式之間的切換；兩個圓極化方式之間的切換；左、右旋圓極化以及線極化之間的切換。

極化可重構的主要方法包括：對饋電系統加載可變電抗或者切換饋電位置，產生不同工作模式的相對相位差；或在天線的合適位置刻蝕縫隙，通過對縫隙中的開關的控制，改變天線電流的流動路徑，以產生相位差等。文獻[5]提出的可切換圓極化可重構微帶天線的結構示意圖如圖5 所示，天線單元上連接了2 個壓電換能器（PET），2 個電介質振片分別與PET 相連，通過按下一個PET 抬起另一個PET 來達到實現左旋和右旋圓極化切換的目的。文獻[6]提出的極化可重構天線結構如圖6 所示。通過在天線表面刻蝕2 個相互垂直的縫隙，在縫隙的合適位置分別放置PIN 開關二極管，通過控制PIN 二極管的通斷，可分別實現左旋和右旋圓極化。

圖5 微帶天線示意圖

圖6 圓極化可切換天線

2.4 混合可重構天線的實現前面介紹的三類可重構天線是可重構天線研究的熱點，但是它們有一個共同的特點，就是只對天線的一種特性參數進行重構，而保持其他的特性參數不變。然而，在實際應用中，有時候則需要能夠對天線的幾種特性參數進行重構，這就是多種參數重構天線出現的目的?；旌峡芍貥嬏炀€是根據實際需求，對天線的頻率、方向和極化方式進行2 個或者兩個以上特性參數的重構?；旌峡芍貥嬏炀€的設計相對比較困難，其設計方法主要是結合頻率可重構天線、方向圖可重構天線以及極化可重構天線的設計方法。多參數可重構天線的工作靈活有效，在應用中可獲得多種有效的分集作用，具有極大的實際應用價值。文獻[7]提出的雙頻雙極化的可控槽縫貼片天線的結構示意圖如圖7 所示。該天線由帶縫隙的微帶貼片天線和一個開關組成，當開關斷開時，天線的諧振頻率較低，實現右旋圓極化；當開關閉合時，天線的諧振頻率較高，實現左旋圓極化。路的改變來影響天線的諧振頻率，從而實現了天線在頻率和方向圖的同時可重構。

圖7 可控槽縫貼片天線示意圖

3 可重構天線的關鍵技術

可重構天線作為一種新型的天線，由于其本身存在的諸多優點逐漸吸引了眾多研究人員的廣泛注意，然而我們對其的認知仍然存在著不足，有諸多方面等待著我們進行深入的探索與研究。首先，深入研究可重構天線的體系結構，探討更多的可重構天線的方案至關重要。目前可重構天線大多是基于單個天線的重構，無論從何種角度而言，單個天線的性能終究不如陣列的性能強大，所以對于可重構的陣列天線需進一步的探討；

此外，目前大多數的可重構天線大都是基于微帶天線構建的，我們有必要擴展更寬的領域來達到可重構的目的，分形天線正成為滿足未來產品要求的一種有效方法，經典的分形天線諸如Koch 單極天線、Hilbert 分形天線等，分形天線結構具有多頻特性，因此具有頻率可重構的潛力，與此同時它能夠有效的達到尺寸衰減以及RCS 衰減的目的，可廣泛應用于無線通信系統之中。

所以，我認為開發基于分形天線的可重構天線，甚至基于分形天線陣列的可重構天線是非常有意義的。其次，開發水平更高的可重構天線仿真工具，探索更有效的優化算法?？芍貥嬏炀€的優化算法有很多，諸如遺傳算法（GA）、蟻群算法（ACO）、粒子群算法（PSO）等。PSO 算法是一種基于群智能方法的進化計算技術，與遺傳算法相比，具有思想簡單且容易編程實現的優點，同時又有深刻的智能背景，既適合于科學研究，又適合于工程應用。

最后，可重構天線的技術發展很大程度上依賴于射頻開關技術的發展。目前較為常用的開關有MEMS 和PIN 二極管開關。MEMS 開關具有理想的開關特性，開關比非常高，功耗低，接入電路中插損極小，采用CMOS 工藝制作，體積小，重量輕，便于集成，然而它的缺點是響應速度稍慢，所以在要求響應速度的地方，可以采用PIN 二極管開關，但它的隔離特性不如MEMS 開關，而且功耗大?；谝陨峡紤]，研究性能更好的射頻開關至關重要。

4 總結

本文在參考近些年來國內外對可重構天線最新研究成果的基礎上，從可重構天線的功能、分類、實現方法進行了總結，最后對可重構天線的發展方向進行了概述。總而言之，相對于傳統天線而言，可重構天線具有諸多優點，且具有相廣闊的發展空間，所以對于可重構天線的研究至關重要。

延伸閱讀：

可重構天線的概念提出于20世紀60年代?？芍貥嬍侵付嗵炀€陣列中各陣元之間的關系是可以根據實際情況靈活可變的，而非固定的。它主要是通過調整狀態可變器件，實現天線性能的可重構。

上海貝嶺專利產品：發明提供了一種輻射方向圖可重構的平板天線，包括：基板；接地板，其位于基板的中央區域，并且工作在主反射器模式下；多個驅動單元，其對稱并且徑向分布在接地板周圍；多個寄生元件組，每個寄生元件組包括引向器與反射器，并且引向器與反射器依照驅動單元的位置分布在基板的外側。本發明的天線具有如下優點：體積小、制造精度高、成本低，饋電網絡較為簡單并且阻抗匹配性能更好，RF能量傳送能力較高。

可重構天線按功能可分為頻率可重構天線( 包括實現寬頻帶和實現多頻帶) 、 方向圖可重構天線 、極化可重構天線和多電磁參數可重構天線。通過改變可重構天線的結構可以使天線的頻率、波瓣圖、極化方式等多種參數中的一種或幾種實現重構 。因其具有體積小、功能多、易于實現分集應用的優點，已經成為研究熱點。一般而言，可重構天線的設計忽略了發射和接收機端復雜的信號形成和處理過程，其研究的重點在于天線的結構設計上。

研究背景

隨著現代雷達和通信系統的迅速發展，為實現通信、導航、制導、警戒、武器尋的等目的，飛機、輪船、衛星等所需的天線數量越來越多。這使得平臺上所負載的重量不斷增加，而且搭建天線所需的費用也不斷上升，同時，各天線之間的電磁下擾也非常大，嚴重影響天線的正常工作。為減輕平臺上所負載的天線重量、降低成本、減小平臺的雷達散射截面實現良好的電磁兼容特性，希望能用一個天線來實現多個天線的功能。采用同一個天線或天線陣，通過動態改變其物理結構或尺寸，使其具有多個天線的功能，相當于多個天線共用一個物理口徑，這種天線就稱為可重構天線。由于技術尚未成熟，可重構天線的理論仍然不夠系統，可重構天線在通信系統中的應用比較少。

分類

可重構天線按功能可分為頻率可重構天線( 包括實現寬頻帶和實現多頻帶)、方向圖可重構天線、極化可重構天線和多電磁參數可重構天線。通過改變可重構天線的結構可以使天線的頻率、方向圖、極化方式等多種參數中的一種或幾種實現重構。這樣可以通過切換天線不同的狀態使天線具有多種工作模式，有利于在傳輸中實現多種有效的分集。

原理

可重構天線作為一種新型的天線，之所以可以重構天線的參數、具有可切換的不同的工作模式，其本質就是通過改變天線的結構，進而改變天線的電流分布來實現的。因此，可重構天線的設計需要高效的電磁分析手段，而不是等同于多個傳統天線的簡單疊加 。按照可重構的方法手段，又可以分為電子器件可重構，機械可重構及改變天線的材料特性三大類。按照上述分類，分別簡要闡述一下各類天線的原理。頻率可重構天線這類天線的工作頻率在一定的頻帶范圍內具有連續或離散可調能力，同時天線的輻射方向圖，極化特性基本保持不變。

按照頻率重構的方式，這類天線又可分為頻率連續可調和頻率離散可調兩類。重構天線工作頻率的方法有：加載開關，加載變容二極管，改變天線的機械結構及改變天線的材料特性。可重構天線的種類有微帶貼片天線，平面振子天線，平面倒F天線(PIFA)和微帶縫隙天線等。極化可重構天線此類天線能夠在工作頻率和輻射方向圖不變的情況下，改變自身的極化特性。極化可重構天線大體分為三類：極化正交的兩種線極化之間的切換；兩種圓極化之間的切換；圓極化與線極化之間的切換。

極化可重構的主要困難在于，在實現極化可重構的同時要保持天線的頻率特性的穩定。輻射方向圖可重構天線此類天線是在保持天線頻率和極化特性參數不變的情況下，對輻射方向圖具有重構能力的天線。由于天線輻射結構上的電流分布直接決定了天線輻射方向圖的特性，為了設計具有特定方向圖的可重構天線，天線設計者必須要選擇所需要的各種電流分布，以及在它們之間切換的方法。由于這種電流與輻射方向圖之間的對應關系，使得在保證頻率特性不發生很大改變的前提下獲得方向圖重構特性變得十分困難。但是，通過一些巧妙的設計也能夠實現具有較好頻率一致性的方向圖可重構天線。

這其中，包括選擇特定的天線結構，如反射面天線或寄生耦合天線，這類天線的輸入端與天線結構的重構部分有著較好的隔離，這就允許天線的阻抗特性不隨方向圖的重構而發生較大改變。另外一種常用的方法就是利用補償的方法或是提供可調節的阻抗匹配電路來保持頻率特性的穩定。多電磁參數可重構天線混合方式可重構天線是指對天線的工作頻率、極化方式和輻射方向圖分別具有獨立調節能力的天線，這也是可重構天線的終極目標。在前面我們提到，將天線的頻率特性與其輻射特性分離是可重構天線的一個最大的難題。這種在單一天線上實現多種重構功能并且互不干擾將大大增加設計的難度。但是，這種混合方式的重構能使天線變得更加多功能化，會進一步提升其在無線通信系統的作用，提高通信系統的性能。

移動通信應用

在MIMO系統中的應用關于可重構天線的研究工作大部分集中在天線設計環節，而對其在無線通信系統中的應用研究較少。隨著MIMO技術的發展以及對大容量高速率通信的需求，研究者們發現利用天線極化和方向圖多樣性的分集接收和發射可以降低MIMO系統中子信道的相關性，從而提高系統的容量。 [4] 因此，其應用前景廣闊。例如，下面的例子表明，可重構天線能夠起到擴展系統容量、降低初始干擾等作用。

擴展系統容量為應對數據流量的暴增，無線運營商正利用3G、LTE等技術及其他更優越的技術來增加網絡容量，但同時尖端的基礎構架解決方案也可用于對容量進行優化。可重構波束的基站天線通過平衡負載、降低干擾和優化覆蓋模式對容量需求的滿足起到了促進作用。為了應對峰值流量，運營商將簡單地加入更多的基站以超額建設網絡，但折舊導致了昂貴的無線電基站容量的低效使用。 [5] 為此有必要采用新的方法提高基站資源利用率。因為用戶移動并不是混亂無序的，而是可預測的，所以這為可重構天線的使用創造了條件。簡而言之，在工作周期間，絕大多數流量通常是在早上從各居住區向各商業區域移動，然后在商業區停留一整天，最后傍晚或晚上時返回到居住區。

可以輕易地從這轉換中捕獲到普通的流量模式，并產生新的無線電規劃。例如：針對上班時間的無線電規劃，白天集中在商業區域；針對上下班高峰時段的無線電規劃，覆蓋通勤者和工人；晚間或周末規劃針對用戶在家時；各規劃可以具有不同的網絡配置?？芍貥嫴ㄊ炀€能夠對改變中的流量模式作實時調整，可以通過下傾波束來動態地跨一個基站的所有小區平衡負載容量，通過正負30°來改變波束的水平方向角，還可在35°到105°之間改變光束寬度。由于流量通常出現在各熱點區域，使得一些區域超負載因而拒絕新的呼叫，而鄰近的各區域仍未得到完全利用。由于可連續調整的波束通過三維成形，因而流量在整個網絡得到更均勻的分布，進而保證了容量的有效使用。

這些三自由度也改變了天線的增益，意味著可重構天線可以將其增益從帶有14dBi增益的105°天線改變到帶有18dBi增益的65°天線，或到20dBi增益的35°天線，從而有助于增大有高度干擾的區域的信噪比。可重構波束天線的獨特三自由度有助于降低敏感的3G和4G網絡中的干擾以及提供最佳的可能覆蓋模式。提高性能，降低干擾網絡規劃工程師試圖為限制初始干擾挑選出最優質的天線，但是通常需要在具備水平波束寬度為65°或90°的天線之間作出妥協。90°天線的波束十分適合用于區域內的信號電平，并且具備非常低的小區之間的零點（約6dB）。但是90°天線的劣勢在于，由于其水平場圖滾降不如65°天線，導致產生更大的相鄰小區重疊（約90°重疊）。

為減少區域重疊，65°天線由于能提供更好的滾降（也就是說干擾更少）而被廣泛使用。但是其在區域內的覆蓋面不如90°天線廣闊，而且其小區之間的零點指標也比不上90°天線。對于普通的90°水平波束天線來講，具有三自由度的可重構波束天線采用多陣列結構，能夠形成優秀的場圖和水平場圖滾降特性。設置在90°水平波束寬度，可重構定向天線實質上結合了65°和90°天線的優勢，形成一個優良的場圖。