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“6G时代加速器”可重构天线模型,这又是什么黑科技?

2023年03月08日 09:15   来源: 科普中国

出品:科普中国

作者:李瑞(半导体工程师)

监制:中国科普博览

现在,我国的5G建设正在高速发展中。回顾通信网络系统的进化过程,其中涉及到了不少黑科技。在未来通信网络系统(如6G)中,有一个黑科技将会成为不可或缺的组成部分,那就是可重构天线。

(图片来源:参考文献1)

可重构天线,很可能是我们大家都非常陌生的概念,其实在现代通信领域,它是非常重要的一种器件。看完这篇文章,相信你就知道什么是可重构天线,它能用到哪儿,以及在这个领域有什么最新的发展了。

天线界的变形金刚——可重构天线

还记得最早的“大哥大”“小灵通”,或者是家里的收音机吗?它们有一个共同的特点——头上顶着天线。我们现在使用的手机,结构大大简化了,形状大多是一个长方体。但是你知道吗,其实天线并没有消失,只是从外置变成了内置。当我们使用手机或者其他无线设备时,需要使用天线来接收和发送无线信号。

那可重构天线,顾名思义,一定是有哪些参数可以发生改变喽?没错,可重构天线就是一种可以根据需要,在操作期间改变其天线结构或参数的设备。

内置天线

(图片来源:veer)

它可以通过改变自身的配置,来适应不同的无线通信需求,例如不同的信号频率、不同的信号方向等等。相比于传统的固定结构天线,可重构天线具有更高的灵活性和适应性,可以帮助我们更好地应对不同的通信需求。

打个比方,可重构天线就像瑞士军刀一样,具有多种功能和用途,可以在不同的应用场景中发挥不同的作用,例如提高通信质量、增强抗干扰能力、扩大覆盖范围等。

这么看来,配置了可重构天线的设备,会根据不同的环境进行调节,信号一定也不会差。

在使用可重构天线的车载导航系统中,当车辆行驶到不同的城市和地区时,可重构天线可以根据当地的天气、地形和建筑物等因素,动态地调整其方向和极化(极化的概念我们会在后面介绍),以保证车载导航的信号质量和稳定性。

车载导航系统

(图片来源:veer)

那么,能实现这么强大功能的可重构天线,使用的材料与内含的技术一定也不简单吧?其实有些技术和材料,你可能看着还觉得挺眼熟的。

可重构天线可以使用多种技术和材料来实现其可调性。以下是一些常见的可重构天线技术和材料:

可调电感器和电容器:可以通过改变其电感或电容值来改变天线的频率响应和方向性。

PIN二极管和场效应管(FET):可以作为射频开关,控制天线上的电流或电压,从而改变其特性,例如调整频率、极化或方向性。

液晶材料:可以通过电场控制其折射率和偏振特性,从而实现天线的极化调节。

压电材料:可以通过施加电压来改变其形状,从而改变天线的结构和特性。

人工电磁材料(metamaterials):可以通过微观结构设计来实现具有特殊电磁性质的材料,例如负折射率、超材料等。这些材料可以用于设计可重构天线,并实现一些非传统的特性,例如超宽带、极化旋转和电磁波聚焦等。

这些技术和材料可以组合使用,以实现更为灵活和可控的可重构天线。

可重构天线的应用领域超乎你想象

可重构天线具备这么强大的功能,它的应用领域也十分广泛。可能你还没有意识到,我们的日常生活中已经有许多可重构天线的参与。可重构天线在移动通信、雷达和卫星通信等领域已经获得了广泛的应用。

在移动通信领域,可重构天线可以帮助我们实现多频段、宽带和多天线系统,以提高通信质量和容量。例如,可重构天线可以根据网络负载和信号强度自适应地调整其天线方向,以最大化信号接收和发送效率。另外,可重构天线也可以用于改善车辆通信、智能家居等场景下的信号质量。

在雷达系统中,可重构天线可以提高雷达系统的分辨率、探测距离和抗干扰性能。例如,可重构天线可以通过调整其极化或方向性来减少多径干扰和反射,从而提高雷达信号的清晰度和稳定性。

在卫星通信领域,可重构天线可以提高卫星天线的频率覆盖范围和功率效率。例如,可重构天线可以在卫星信号传输过程中动态地调整其方向和极化,以适应不同用户和不同传输需求,从而提高卫星通信的效率和可靠性。

阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列中的巨大天线

(图片来源:维基百科)

谈到天线,就不能不聊聊天线的极化

在我们介绍可重构天线的应用时,有一个词被我们反复提起——极化。很多朋友可能就有疑问了,天线的极化到底是什么?

天线的极化是指电磁波在空间传播过程中的振动方向。具体来说,可以分为水平极化、垂直极化和倾斜极化。当电磁波在垂直于其传播方向的平面内振动时,称为水平极化;当电磁波在沿着其传播方向的直线方向振动时,称为垂直极化;当电磁波在既不垂直于传播方向,也不在传播方向的平面内振动时,称为倾斜极化。

极化的概念也可以用下面这个生动的例子来理解。

想象一下你手里拿着一根绳子,绳子的末端有一个球。在无线通信中,我们使用的天线和电磁波也类似于绳子和球的关系,天线的振动方向就是极化方向。

当你用手左右晃动绳子时,球也会左右晃动。这时,我们可以想象球在左右方向上振动,这就是水平极化。如果我们让球在前后方向上振动,就是垂直极化。如果球不仅在前后方向上振动,也在左右方向上振动,这就是倾斜极化。

因此,选择合适极化的天线可以帮助我们更好地接收和发送无线信号,从而提高通信效果。

(图片来源:veer)

需要注意的是,天线的极化方向并不完全等同于天线指向的方向,但这两个概念是相关的。

在天线的工作过程中,它所发射或接收的电磁波的振动方向是天线的极化方向,而天线所指向的方向是它的辐射或接收方向。

例如,当一个天线的极化方向是垂直极化时,天线发射或接收电磁波的振动方向是垂直于天线的方向。当这个天线指向东方时,它就会发射或接收来自东方方向的电磁波。

因此,天线的极化方向和指向方向是两个相关但不同的物理量,它们都是天线工作中重要的概念。我们需要根据实际情况来选择合适的天线极化方向和指向方向,以满足通信要求。

巨大的路基雷达和移动雷达车

(图片来源:维基百科)

新型可重构天线新在何处?

目前许多可重构天线的设计存在一些缺陷,比如在高温或低温环境下无法正常工作、存在功率限制或需要定期维修等问题。为了解决这些问题,美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员将电磁铁和柔顺机构相结合,提出了可重构贴片天线的概念验证。

研究团队使用了商业电磁模拟软件,绘制设计了一个圆形虹膜贴片天线的原型。随后,他们使用3D打印技术将其付诸于实物,并在电波暗室中测试了它的疲劳故障、频率和辐射模式的保真度等一系列材料及天线参数。

这个圆形虹膜贴片形状的可重构天线,只比人类手掌略大一点。它的设计目标是展示特定频率的应用,针对不同的频率,可以进行相应的调整。对于高频应用,这项技术可扩展到集成电路级别;而对于低频应用,则可以扩大其尺寸。

研究人员表示,此次成果将柔性机构作为电磁学领域中的一种新设计范式,这可能是一个全新的设计领域分支,将为人们带来令人兴奋的应用。

结语

其实可重构天线的概念,在20世纪60年代就被提出。由于可重构天线的特点,在研究过程中,不用再考虑发射和接收机端复杂的信号形成和处理过程。但是,与此同时,也大大增加了对于结构设计的要求。

这次的新成果,结合了3D打印和柔性机构,无疑是对可重构天线研究提供了新的启示。相信随着科学家们持续的研究,6G时代也将早日到来。

编辑:郭雅欣


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标签: 天线  重构  极化  方向  振动 

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