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【最强科普】新型天线技术综述


由于现有的天线技术固有的缺点(阵列耦合、可重构难度大、射频隐身性能差等)或无法满足新形式下的应用需求(植入式设备、星载应用等),研究人员近年对新型天线展开了系列研究——液体天线、等离子体天线、超材料天线、纳米光线天线、植入式天线、可折叠天线等。
 
1、液体天线
 
液体天线的出现,打破了传统固体天线的概念,其特有的性能和优势,为天线理论和应用开辟了一片新天地。液体天线是指用液体取代固体天线辐射单元所使用的固态材料,构成以液体为辐射单元的天线,与传统的固态天线相比,液体天线可塑性、可重构性强,具有低雷达散射截面,能有效改善电磁耦合特性,在无线通信方面具有很大的潜在应用价值。
 
 
液体天线,是指用导电液体取代普通天线辐射单元所使用的金属材料所构成的天线。液体天线有使用离子液体作辐射单元的,也有采用液态金属或液晶材料的。相比于传统的金属天线,液体天线能够在不施加压力的状态下变化成各种形状,弯折也不会导致材料疲劳,甚至能在被破坏之后自我修复并且能消除空气缝隙,具有巨大的优势和发展前景。
 
液体的诸多优点为我们提供了天线设计的新思路。液体或是液态金属良好的结构柔韧性为天线制造提供了两大优势突破。
 
(1)天线结构的稳定性。由液体来体现稳定性,听上去好像很不合理,但是当天线能够工作在液体或是液态金属状态下时,我们再也不必担心电影里那些爆炸场景的出现,液态天线将在受到冲击的几秒钟内恢复到原样并继续工作,这一情景将是革命性的。
 
(2)液体给天线的重构提供了极大地便利条件。我们可以通过控制液体的形态来改变天线的结构,从而使天线在不同的频段下都可以工作,非常灵活。这对于小型通讯设备的天线设计中所遇到的空间小、排线复杂等难题提供了解决方法。
 
2、等离子体天线
 
等离子体天线是一种气态可重构天线,采用电离惰性气体形成的等离子体代替传统金属天线发射或接收电磁波。由于等离子体固有的特性,等离子体天线具有突出的隐身性能,即使在工作状态也不会反射通常的雷达波。而且,等离子体天线的宽带、可重构性能特别适用于扩频、跳频等主动隐身技术。
 
等离子体天线的主要结构是一段封闭有惰性气体的绝缘介质腔体(例如石英玻璃管)。当该腔体的一端(通常是底部)耦合有射频能量时,惰性气体开始电离生成等离子体。随着入射能量的增加,整个腔体可以逐步被等离子体柱体充满。由于等离子体的导电性,束缚在介质腔体的等离子柱体可以如同金属天线一样发射和接受电磁波。
 
 
由于等离子体具有独特的物理特性,等离子体天线具有许多不同于金属天线的优点:
 
a) 隐身特性。当天线关闭时,等离子体天线系统几乎没有金属部件,雷达散射截面将很小,在电子战中实现隐身,提高生存能力。
 
b) 降低互耦。在阵列天线中,非工作单元与工作单元之间几乎不会产生互耦,大幅度降低了阵列单元间的干扰,提高了天线的性能。
 
c) 辐射部件电控制。不需要改变天线的物理结构,通过改变等离子体的气体成分和电子浓度等物理参数就可以对天线的频率、带宽和方向性等参数进行动态重构,实现了天线的电控。
 
d) 解决大功率问题。采用高压脉冲等离子体天线,可以解决目前微波天线设计中的大功率问题,避免了高压烧毁馈线和天线的情况。
 
e) 结构精巧。天线中的放电管可以是强度高的石英玻璃管,相对于金属天线,玻璃制品的重量更轻,体积更小,提高了装配效率。
 
等离子体天线的主要技术问题
 
困扰等离子体天线研究的最大技术问题是难以达到普通金属天线的性能指标。根据国外已公开文献研制的等离子体天线样机,其增益通常比同规格金属天线低20分贝左右,基本上没有实用价值。
 
另外,由于等离子体天线的耦合与匹配方式与金属天线完全不同。等离子体天线除了馈入正常的微波信号,还需要在底部馈入激励功率以形成并维持等离子体柱体。这两路射频功率需要接入天线底部的同一个耦合腔体,不但会带来严重的相互干扰,而且匹配效率也非常低。因此,等离子体天线不但增益难以达标,而且为激发等离子体形成天线所需的功耗也非常惊人。
 
3、超材料天线
 
Metamaterial(超材料),其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义,因此一般文献中给出人工电磁材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”也就是大家津津乐道的“超材料”。Meta材料具有自然界中原有材料所不具备的独特性质,其中出现了许多全新的物理现象。目前关于Meta材料的物理特性研究,及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。
 
人工电磁材料(Metamaterials,Meta材料)是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特性的人工结构材料。目前研究较多的几种超材料包括:左手材料、复合左/右手传输线、光子晶体、隐形衣、电磁黑洞等。
 
 
人工电磁超材料的提出,通过合理设计超材料的结构单元使其对电场和磁场产生相应的谐振,从而控制其负折射率带宽的范围。再通过将超材料单元与天线合理的集成,可以在不大幅度更改天线结构的情况下,提高天线的增益和定向性。
 
4、可植入天线
 
电子电路集成系统以及小型化天线技术的不断发展,使得无线能量传输与数据遥测在无线生物医疗设备中的应用成为可能,展现出了巨大的应用前景。这种发展已经促进了无线能量和数据遥测在生物医疗诊断和治疗方面的多种应用,包括人体心脏起搏器、人体区域网络设备、用于检测葡萄糖、PH值、血压、温度等无线传感设备的开发设计。由于人体组织与无线能量及数据传输设备的强耦合,导致了对无线设备电磁特性的强烈影响,如何精确设计无线医疗设备是目前电子科学、生物电磁学领域亟待解决的一个关键难题。
 
 
在可植入式无线医疗研究中,面临着诸多难题亟待突破,其中如何精确考虑人体环境对植入设备的工作性能影响、无线植入设备的工作能源补充等是当前该领域的两大核心难题。
 
5、纳米光学天线
 
纳米光学天线是物理光学的新概念,与无线电波天线和微波天线类似,都是把自由传播的能量转化为局域能量。但是,不同于传统天线由电流驱动的远场-电流能量相互转换工作原理,纳米光学天线是基于金属纳米颗粒在光波频率下特殊的光电表面性质局域等离激元而工作的。
 
 
其与射频天线的显著区别主要表现在两个方面:首先,在光波段,由于天线的损耗极高,理想电导体的模型在光波段不适用;其次,在纳米尺寸范围内,由于表面等离激元等物理现象的存在,尤其是亚波长场的限制,天线特性呈现出明显的不同。
 
纳米光学天线不仅能够实现亚波长尺度上的光场操控,还可以有效地增强局域场强度,因此在光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等等领域中都有着广泛的应用。
 
6、可折叠天线
 
天线作为无线通信系统中的关键构件,成为各国军事领域致力发展的一项重要技术。就太空领域而言,太空之间、太空与地面之间的联络离不开高增益天线。在地面上,执行远距离作战任务的班、排或单兵欲取得和指挥部的联络也离不开高增益天线。对此时的机动分队而言,重量、架设难易度便成为天线在远距离作战中的另一个重要性能指标。反射面天线属于一种高性能的高增益天线,迄今为止该类型天线已经在卫星、机载雷达、地面站、移动通信站、车载站等场合中得到了广泛的应用研究。常规的反射面天线由于多采用刚性板块构成,因而存在重量大、成本高、架设难度大等缺点,不符合未来战场上对通信设备机动灵活性的要求。因此,可折叠反射面天线就成了卫星通信和深空通信的最佳选择。
 
 
在卫星应用中,由于受航天运载工具整流罩容积的限制,卫星发射时天线必须折叠起来收藏于卫星罩内。当卫星入轨后,天线再靠自带的动力源自动展开,这就是所谓的可折叠式反射面天线
 
(1)固面反射面
 
多数固面反射面天线由中心毂和刚性板块组成。固面反射面材料多选用金属板或者碳纤维增强塑料( CTFR) 。由于板块可加工成较为理想的抛物面,因而这种反射面的最大优点是精度较高。
 
此类天线具有重量大、造价高、收缩比小的缺点,仅局限于尺寸较小的可展开天线,故其应用较少。
 
(2)充气式反射面
 
充气式天线的主要构件由薄膜粘结而成。在发射前由于没有充气,故可压缩成很小的体积而存放在盒内; 进入轨道后,充气并膨胀展开。通过太阳辐射使形面固化成所要求的曲面形状。这种天线的优点是收缩比较高、重量轻、加工费用低。尽管充气式天线的反射器直径可以做得很大,但是很难获得高精度的反射面,故其工作频率较低。
 
(3)网状反射面
 
网状反射面是将刚性固面反射面用金属网代替,质量较轻、收缩比大、工作频带宽,波导馈电系统可以工作在大功率,且容易实现多波束、多频段、多极化以及电扫描和电控波束宽度,适合于高分辨率的小卫星SAR 天线。
 
主要受以下3 个方面因素的限制:
 
(1)网面调整,随着口径增大和工作频段的提高,对反射器的精度要求也越来越高,而目前反射面的分析与调整技术还有待进完善。
 
(2)网面测量,网面的测量技术相对落后,测试的效率较低。
 
(3)加工工艺,以网状反射面天线为例,不锈钢镀镍和镀金钼丝这两种网在生产上仍存在很大技术难度,就造成了制造成本大幅提高。


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