“6G時(shí)代加速器”可重構(gòu)天線模型，這又是什么黑科技？

出品：科普中國

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

監(jiān)制：中國科普博覽

現(xiàn)在，我國的5G建設(shè)正在高速發(fā)展中?；仡櫷ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的進(jìn)化過程，其中涉及到了不少黑科技。在未來通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如6G）中，有一個(gè)黑科技將會(huì)成為不可或缺的組成部分，那就是可重構(gòu)天線。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

可重構(gòu)天線，很可能是我們大家都非常陌生的概念，其實(shí)在現(xiàn)代通信領(lǐng)域，它是非常重要的一種器件。看完這篇文章，相信你就知道什么是可重構(gòu)天線，它能用到哪兒，以及在這個(gè)領(lǐng)域有什么最新的發(fā)展了。

天線界的變形金剛——可重構(gòu)天線

還記得最早的“大哥大”“小靈通”，或者是家里的收音機(jī)嗎？它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)——頭上頂著天線。我們現(xiàn)在使用的手機(jī)，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了，形狀大多是一個(gè)長(zhǎng)方體。但是你知道嗎，其實(shí)天線并沒有消失，只是從外置變成了內(nèi)置。當(dāng)我們使用手機(jī)或者其他無線設(shè)備時(shí)，需要使用天線來接收和發(fā)送無線信號(hào)。

那可重構(gòu)天線，顧名思義，一定是有哪些參數(shù)可以發(fā)生改變嘍？沒錯(cuò)，可重構(gòu)天線就是一種可以根據(jù)需要，在操作期間改變其天線結(jié)構(gòu)或參數(shù)的設(shè)備。

內(nèi)置天線

（圖片來源：veer）

它可以通過改變自身的配置，來適應(yīng)不同的無線通信需求，例如不同的信號(hào)頻率、不同的信號(hào)方向等等。相比于傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)天線，可重構(gòu)天線具有更高的靈活性和適應(yīng)性，可以幫助我們更好地應(yīng)對(duì)不同的通信需求。

打個(gè)比方，可重構(gòu)天線就像瑞士軍刀一樣，具有多種功能和用途，可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮不同的作用，例如提高通信質(zhì)量、增強(qiáng)抗干擾能力、擴(kuò)大覆蓋范圍等。

這么看來，配置了可重構(gòu)天線的設(shè)備，會(huì)根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號(hào)一定也不會(huì)差。

在使用可重構(gòu)天線的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，當(dāng)車輛行駛到不同的城市和地區(qū)時(shí)，可重構(gòu)天線可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖狻⒌匦魏徒ㄖ锏纫蛩?，?dòng)態(tài)地調(diào)整其方向和極化（極化的概念我們會(huì)在后面介紹），以保證車載導(dǎo)航的信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

車載導(dǎo)航系統(tǒng)

（圖片來源：veer）

那么，能實(shí)現(xiàn)這么強(qiáng)大功能的可重構(gòu)天線，使用的材料與內(nèi)含的技術(shù)一定也不簡(jiǎn)單吧？其實(shí)有些技術(shù)和材料，你可能看著還覺得挺眼熟的。

可重構(gòu)天線可以使用多種技術(shù)和材料來實(shí)現(xiàn)其可調(diào)性。以下是一些常見的可重構(gòu)天線技術(shù)和材料：

可調(diào)電感器和電容器：可以通過改變其電感或電容值來改變天線的頻率響應(yīng)和方向性。

PIN二極管和場(chǎng)效應(yīng)管（FET）：可以作為射頻開關(guān)，控制天線上的電流或電壓，從而改變其特性，例如調(diào)整頻率、極化或方向性。

液晶材料：可以通過電場(chǎng)控制其折射率和偏振特性，從而實(shí)現(xiàn)天線的極化調(diào)節(jié)。

壓電材料：可以通過施加電壓來改變其形狀，從而改變天線的結(jié)構(gòu)和特性。

人工電磁材料（metamaterials）：可以通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)具有特殊電磁性質(zhì)的材料，例如負(fù)折射率、超材料等。這些材料可以用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)天線，并實(shí)現(xiàn)一些非傳統(tǒng)的特性，例如超寬帶、極化旋轉(zhuǎn)和電磁波聚焦等。

這些技術(shù)和材料可以組合使用，以實(shí)現(xiàn)更為靈活和可控的可重構(gòu)天線。

可重構(gòu)天線的應(yīng)用領(lǐng)域超乎你想象

可重構(gòu)天線具備這么強(qiáng)大的功能，它的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛。可能你還沒有意識(shí)到，我們的日常生活中已經(jīng)有許多可重構(gòu)天線的參與?？芍貥?gòu)天線在移動(dòng)通信、雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，可重構(gòu)天線可以幫助我們實(shí)現(xiàn)多頻段、寬帶和多天線系統(tǒng)，以提高通信質(zhì)量和容量。例如，可重構(gòu)天線可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和信號(hào)強(qiáng)度自適應(yīng)地調(diào)整其天線方向，以最大化信號(hào)接收和發(fā)送效率。另外，可重構(gòu)天線也可以用于改善車輛通信、智能家居等場(chǎng)景下的信號(hào)質(zhì)量。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，可重構(gòu)天線可以提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率、探測(cè)距離和抗干擾性能。例如，可重構(gòu)天線可以通過調(diào)整其極化或方向性來減少多徑干擾和反射，從而提高雷達(dá)信號(hào)的清晰度和穩(wěn)定性。

在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，可重構(gòu)天線可以提高衛(wèi)星天線的頻率覆蓋范圍和功率效率。例如，可重構(gòu)天線可以在衛(wèi)星信號(hào)傳輸過程中動(dòng)態(tài)地調(diào)整其方向和極化，以適應(yīng)不同用戶和不同傳輸需求，從而提高衛(wèi)星通信的效率和可靠性。

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列中的巨大天線

（圖片來源：維基百科）

談到天線，就不能不聊聊天線的極化

在我們介紹可重構(gòu)天線的應(yīng)用時(shí)，有一個(gè)詞被我們反復(fù)提起——極化。很多朋友可能就有疑問了，天線的極化到底是什么？

天線的極化是指電磁波在空間傳播過程中的振動(dòng)方向。具體來說，可以分為水平極化、垂直極化和傾斜極化。當(dāng)電磁波在垂直于其傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)時(shí)，稱為水平極化；當(dāng)電磁波在沿著其傳播方向的直線方向振動(dòng)時(shí)，稱為垂直極化；當(dāng)電磁波在既不垂直于傳播方向，也不在傳播方向的平面內(nèi)振動(dòng)時(shí)，稱為傾斜極化。

極化的概念也可以用下面這個(gè)生動(dòng)的例子來理解。

想象一下你手里拿著一根繩子，繩子的末端有一個(gè)球。在無線通信中，我們使用的天線和電磁波也類似于繩子和球的關(guān)系，天線的振動(dòng)方向就是極化方向。

當(dāng)你用手左右晃動(dòng)繩子時(shí)，球也會(huì)左右晃動(dòng)。這時(shí)，我們可以想象球在左右方向上振動(dòng)，這就是水平極化。如果我們讓球在前后方向上振動(dòng)，就是垂直極化。如果球不僅在前后方向上振動(dòng)，也在左右方向上振動(dòng)，這就是傾斜極化。

因此，選擇合適極化的天線可以幫助我們更好地接收和發(fā)送無線信號(hào)，從而提高通信效果。

（圖片來源：veer）

需要注意的是，天線的極化方向并不完全等同于天線指向的方向，但這兩個(gè)概念是相關(guān)的。

在天線的工作過程中，它所發(fā)射或接收的電磁波的振動(dòng)方向是天線的極化方向，而天線所指向的方向是它的輻射或接收方向。

例如，當(dāng)一個(gè)天線的極化方向是垂直極化時(shí)，天線發(fā)射或接收電磁波的振動(dòng)方向是垂直于天線的方向。當(dāng)這個(gè)天線指向東方時(shí)，它就會(huì)發(fā)射或接收來自東方方向的電磁波。

因此，天線的極化方向和指向方向是兩個(gè)相關(guān)但不同的物理量，它們都是天線工作中重要的概念。我們需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的天線極化方向和指向方向，以滿足通信要求。

巨大的路基雷達(dá)和移動(dòng)雷達(dá)車

（圖片來源：維基百科）

新型可重構(gòu)天線新在何處？

目前許多可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)存在一些缺陷，比如在高溫或低溫環(huán)境下無法正常工作、存在功率限制或需要定期維修等問題。為了解決這些問題，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員將電磁鐵和柔順機(jī)構(gòu)相結(jié)合，提出了可重構(gòu)貼片天線的概念驗(yàn)證。

研究團(tuán)隊(duì)使用了商業(yè)電磁模擬軟件，繪制設(shè)計(jì)了一個(gè)圓形虹膜貼片天線的原型。隨后，他們使用3D打印技術(shù)將其付諸于實(shí)物，并在電波暗室中測(cè)試了它的疲勞故障、頻率和輻射模式的保真度等一系列材料及天線參數(shù)。

這個(gè)圓形虹膜貼片形狀的可重構(gòu)天線，只比人類手掌略大一點(diǎn)。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是展示特定頻率的應(yīng)用，針對(duì)不同的頻率，可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)于高頻應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)可擴(kuò)展到集成電路級(jí)別；而對(duì)于低頻應(yīng)用，則可以擴(kuò)大其尺寸。

研究人員表示，此次成果將柔性機(jī)構(gòu)作為電磁學(xué)領(lǐng)域中的一種新設(shè)計(jì)范式，這可能是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)領(lǐng)域分支，將為人們帶來令人興奮的應(yīng)用。

結(jié)語

其實(shí)可重構(gòu)天線的概念，在20世紀(jì)60年代就被提出。由于可重構(gòu)天線的特點(diǎn)，在研究過程中，不用再考慮發(fā)射和接收機(jī)端復(fù)雜的信號(hào)形成和處理過程。但是，與此同時(shí)，也大大增加了對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

這次的新成果，結(jié)合了3D打印和柔性機(jī)構(gòu)，無疑是對(duì)可重構(gòu)天線研究提供了新的啟示。相信隨著科學(xué)家們持續(xù)的研究，6G時(shí)代也將早日到來。

編輯：郭雅欣