可重構天線

可重構天線的概念提出於20世紀60年代。可重構是指多天線陣列中各陣元之間的關係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。

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、易於實現分集套用的優點，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複雜的信號形成和處理過程，其研究的重點在於天線的結構設計上。

基本介紹

• 中文名：可重構天線 
• 外文名：Reconfigurable Antennas 
• 提出時間：20世紀60年代 
• 國內著名學者：王秉中等 

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。這使得平台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。

為減輕平台上所負載的天線重量、降低成本、減小平台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。採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，相當於多個天線共用一個物理口徑，這種天線就稱為可重構天線。

由於技術尚未成熟，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套用比較少。

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，有利於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，而不是等同於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範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：載入開關，載入變容二極體，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於，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。由於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。由於這種電流與輻射方向圖之間的對應關係，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並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。

移動通信套用

在MIMO系統中的套用

關於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套用研究較少。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。因此，其套用前景廣闊。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路容量，但同時尖端的基礎構架解決方案也可用於對容量進行最佳化。可重構波束的基站天線通過平衡負載、降低干擾和最佳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路，但折舊導致了昂貴的無線電基站容量的低效使用。為此有必要採用新的方法提高基站資源利用率。

因為用戶移動並不是混亂無序的，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，然後在商業區停留一整天，最後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，並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；

針對上下班尖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路配置。

可重構波束天線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。由於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。由於可連續調整的波束通過三維成形，因而流量在整個網路得到更均勻的分布，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，從而有助於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於降低敏感的3G和4G網路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

網路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於區域內的信號電平，並且具備非常低的小區之間的零點（約6dB）。但是90°天線的劣勢在於，由於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°天線由於能提供更好的滾降（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。

對於普通的90°水平波束天線來講，具有三自由度的可重構波束天線採用多陣列結構，能夠形成優秀的場圖和水平場圖滾降特性。設定在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。