可重构天线：设计与应用外文翻译资料

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可重构天线：设计与应用

本文讨论对可程控特性的天线的设计，制造和控制观念

摘要：无线通信的进步需要多射频集成在单平台实现最大化连接。本文中，讨论了可重构天线的设计过程。可重构天线提出来为了代替不同的无线设备，能够在宽的频率范围内工作。它们在寻址新系统的需求上展现了重大的作用。它们展现了修改他们的几何尺寸和适应周围环境的改变的行为的能力。可重构天线可以传输与多天线系统相同的吞吐量。它们使用动态变量和可调的单天线几何图形，没有增加真实的占地来适应多重天线。本文讨论了这种可重构天线设计的优化和通过消除不必要的多余的开关的操作来缓解偏压问题且提高该系统的性能。在这里介绍了通过软件，使用现场可编程门阵列（FPGA）或者微控制器来控制天线的可重构。还展示了神经网络的运用和对于可程控平台的图解模型的集成以及它对可重构天线操作的影响。最后，突出可重构天线在感知无线电和多端输入多端输出通道以及空间运用上的应用。

一：引言

一个天线的重构是由变更这些天线的有效口径的辐射场得到的。它基于天线电流或者重构天线辐射边缘的有目的的安排。性能结果的再分配改变着天线的功能。这些功能的改变允许使用者提出用可重构天线作多种多样的无线通信平台。

在可重构天线的设计中天线设计者会面对困难的问题。这个过程是沉闷的并且需要对很多因素的考虑，比如得到不错的增益，稳定的辐射，和不错的阻抗匹配通过整个的天线运行状态。

设计一个可重构天线需要在设计的一开始确定好可重构性能和重构技术。

一种可重构天线可以得到四种重构性能。一个天线可以展现一个可重构的工作频率，一个可重构的辐射方向图，一个可重构的极化行为或者一种任意这些性能的组合。

对于可重构技术的选择，它基于可重构天线性能。一个天线设计者选择能满足施加的约束并且同时有效完成天线设计任务的技术。自从可重构天线的崛起有好几种可重构技术被提出。这些被提出的可重构技术分成四种主要的种类：电子的，光学的，机械的和材料改变。

电子的可重构技术是基于开关的使用来连接和断开天线部分同时再分配天线电流。射频微机电系统自1998年被提出集成在可重构天线中。许多设计都采用了射频微机电系统来重构他们的性能。基于可重构天线的射频微机电系统依赖这些开关的机械运动来完成重构。射频微机电系统的隔离度非常高并且它们只需要很小的功率消耗。射频微机电系统的切换速度在1到200微秒范围之间，这个区间可能被认为在一些应用中低了。

光电二极管或者变容二极管显示出能成为更快并且更小型的射频微机电系统替代品。光电二极管的切换速度在1到100微秒的范围里。使用光电二极管的可重构天线有更活跃的重构能力。其它可重构天线变容二极管，它改变偏置电压就能改变相应变容二极管的电容。这些天线享受基于可变电容集成在天线结构的巨大的可调能力。这很重要，能显示出来尽管电子开关部件可能展示出有效的重构能力但是他们还是需要合适设计的偏置网络。

光学重构技术提出来要基于光电导开关。这些开关组合进一个一旦受到一束激光束后导电的天线结构。激光束来源于集成的激光二极管（激光器）。着这个技术上集成和功率问题是个难点。

使用热敏开关的天线也作为可重构天线的候选被提出。其他可重构技术是基于石墨烯等离子体，液晶和机械的可重构技术。

天线设计者们已经使用了各种各样的优化算法使可重构天线工作中的状态转移变得平顺。遗传算法，模拟退火，蚁群优化，自组织映射，粒子群优化，交叉熵方法和自适应诱发突变算法被天线设计者们提出来让一个可重构天线在各种各样的状态间转移变得平顺。这些算法也最小化了任何重构技术对于天线性能的负面影响。这些优化技术间的比较显示出一个单独的优化算法不能够独立于其他的算法之外作为最合适的，在选择一个特殊的可重构方案之前。

设计一个可重构天线的过程允许天线研究者采用各种各样的重构技术。然而，这些设计的复杂性是另一个需要考虑的方面。一个变多的复杂性导致不想要的代价和损失。几个方法被提出来减少复杂性而不影响任何可重构天线系统的可靠性。这些方法大多基于采用各种各样的研究领域中已经熟知的技术或模型。学习状态选择方法可以应用在学习各种各样的重构状态下天线的行为，接着按需求重新产生它们。神经网络构成一个绝佳的例子在这些学习方法。神经网路能被用在一个天线行为预报器使得各种各样的天线状态的生成能基于之前的学习过程。神经网络的合成和图解模型已经导致了计算量减少和最佳天线重构。

另一方面，无线通信应用的进步需要新一代天线能感知，能适应环境和一直变化的周围情况。对天线有需求能克服失败并能迅速地回应新发展。感知无限电，多端输入多端输出通道，在车身网络，卫星和空间通信平台是应用在高度通用的可靠的并且高效的可重构天线上的所有场地。

本文中，可重构天线的设计过程详细写出了。在第二第三部分中，交换式和非交换式可重构天线被分别地讨论。第四部分介绍了图表作为工具把可重构天线转化成软件访问设备，同时减少它们的复杂性并且得到它们的可靠性。可重构天线的软件控制在第五部分被讨论。第六部分讨论了神经网络在可重构天线平台的使用和它在认知通信协议里的应用。感知无线电和多端输入多端输出应用上的可重构天线在第七部分重点讨论。部署用来空间利用的可重构天线在第八部分被讨论。第九部分总结本文。

二：交换式可重构天线

交换式可重构天线被提出来，它带有着电控，光控和热控开关组件。可重构是通过放在天线辐射面或馈电网络里的集成开关得到的。这要求一个合适的偏压网络专门设计来补充合适的电压或电流。举个例子，光电二极管需要恒定的直流电流通常由一个电流驱动器来提供。这种集成的例子可以在图一所示的天线中看到。这个天线结构由两个形成30度夹角的单极子组成。印刷反射面放置在两个直接单极子间为了得到模式多样性。这两个单极子臂通过两个光电二极管S1(左)和S1(右)连接在锥形馈电线。一旦被激励，每个光电二极管单独地馈电给一个天线臂。这个两个开关各自的单独激励是通过打印一个高阻抗偏置线在各自天线臂的一侧完成的。当这两个开关中任何一个被激励，天线在3.24GHz频率共振。

图一 基于频率的光电二极管和有着合适的光电二极管偏置网络的辐射方向图可重构天线

两个额外的光电二极管S2(左)和S2(右)被添加在每个单极子上为了增加所需的天线长度如图1所示。单极子的长度增加是光电二极管S2(左)和S2(右)中任意一个的激励的结果，它使得天线降低它的共振频率至2.96GHz。这天线也通过打印反射器的放置得到模式的多样性。当左单极子或右单极子被适当的开关激励时，这个反射器把辐射波束指向或左或右的单极子。打印反射器的形状和大小被优化为了得到所需要的工作模式。这样，这个天线实现了两个辐射方向有各自的工作频率。光电二极管的激励用一个电流驱动器和一个偏置电源得到。当相应开关受到激励，辐射模式的多样性如图二所示。图三显示相应频率的重构。

图二 3D天线辐射方向图在f=3.24GHz当S1左，S1右通路时

光电二极管在非线性方面以及偏置线的干扰的影响在设计过程中也被加入到考虑。为了克服这些缺点，一些天线设计者将光电二极管集成在天线的馈电网络里。这样的集成例子如图四所示，两个光电二极管用来重构一个在后期可以连接到一个或多个天线的馈电网络。这个馈电网络的重构允许天线操作的重构。

变容二极管也可以合并进入天线结构，或者在它的辐射面或者进入它的馈电网络。一个变容二极管的激励需要直流电压的直接供应。电压等级的变化允许变容二极管改变它的电容然后调谐天线的工作。变容二极管集成在一个天线结构需要那个变容二极管和直流电压源的连接。

图三 在不同开关情况下模拟仿真天线的反射系数

图四 有两个集成光电二极管的可重构馈电网络

一个基于可重构的“滤波天线”的变容二极管如图五所示。一个“滤波天线”是个术语用来表示合并一个滤波器到一个天线的馈电线上的最终结果。一个基于可调谐的六边形带通滤波器集成在打印的正相对的宽带偶极子天线的馈电线。滤波器和天线共同组合能得到频率调频而不让天线的辐射特性失真。这个技术允许频率滤波的调谐而没有多余和不想要的干扰。更多的是，所有变容二极管的偏压线都不位于天线的辐射平面而是在它的馈电线上，这样能最小化对天线辐射特性的影响。这个“滤波天线”工作的频率调频如图六所示。

图五 可重构的“滤波天线”的正反面

图六 不同电压下“滤波天线”的反射系数

光学方式的开关，通过硅光电导开关的方式，也能应用在重构一个天线工作。一个光泵可重构天线如图七所示，一个新的光传输技术应用在激励硅开关。光传输基于集成一个光纤维设备在天线的地表面里刚好硅开关下。一个洞通过基质钻开，让容易的光传输到硅开关中。一旦这开关被一个激光二极管照亮了，它导电然后允许天线工作的可重构。图七所示的天线依赖两个硅开关重构它的工作。

图七 天线的上下层

其它类型的开关也能被用在重构一个天线的工作，然而，这很重要来验证合适的应用给各自的开关集成。举个例子，一个快速反馈需要基于开关的光电二极管而一个可调谐反馈需要一个基于开关的变容二极管。一个低功率反馈允许射频微机电系统的集成。一个天线设计者需要做一个明智的决定当面对选择合适的开关机制给可重构天线设计。图八描述了一个插图，比较了各种开关技术的性能工作在1到10GHz。

图八 开关的不同性能的解释

三：非交换式可重构天线

在这部分中，我们讨论那些依赖交替的技术实现天线重构的可重构天线。这些技术不依赖开关部件，而是使用驱动器，马达或者其他工具来移动天线结构的部分或者改变天线基质的电子性能。天线任何部分的改动会导致天线辐射边界的重构来适应天线的工作需求。图九所示的天线依赖两个驱动器来移动并翘起辐射贴片的底面。这个天线结构由微带线馈电贴片、两个固定和一个移动的底面组成。两个不对称的矩形槽被蚀刻在贴片上。为了更好的阻抗匹配，馈电线和槽的尺寸经过优化。槽位置提高了天线的匹配并允许多频带工作。这移动的地平面被两个允许自身垂直移动到它倾斜位置的驱动器控制。这个可重构天线设计来覆盖工作在不同地平面和倾斜角度而频段在2GHz-6GHz。

图九 （a）天线系统 (b)天线贴片 (c)天线地平面

整个天线系统被一个Arduino Uno R3微控制器控制。Arduino板从视差开关收到命令。它输出控制一个LCD屏幕和两个驱动器驱动天线的地平面。结果是，天线转化为一个有着变化高度的悬浮天线，使得天线可以重构它的工作频率。图十显示天线频率在不同地平面位置的反馈。

图十 重构在不同地平面位置的天线工作频率

天线研究者也依赖特殊材料比如石墨烯电浆，或者液晶来重构天线工作。一个4乘4基于平面天线阵的液晶显示在图十一。液晶在16个贴片下作为基质存在。一个Rogerrsquo;s 3003厚度为0.5mm的基质构成结构的每处基质。一个窄缝插入在馈电线在每个贴片来阻隔直流从贴片向贴片流动。直流电压通过一个穿过液晶腔和地平面的针脚传输到每个贴片。射频扼流圈也被用在针脚和独立使用的馈电连接之间。变化供电直流电压会改变液晶的介电常数从而调整天线阵的工作频率。

机械地可重构天线的控制导致驱动器会非常耗电。然而，这些驱动器的小型化在将来的天线可重构天线集成中是可能的。驱动器的调谐速度肯定比任何开关部件慢，然而，它们的速度被证明对大多数应用是足够的。机械的可重构技术还是健康的并且容易被集成为需要为了通信需求的射频前端的一部分。材料性能的改变也是另一项前途光明的正在受到更多关注的技术。然而，它缓慢的调谐速度，高电压需求，小重构能力组成了需要被解决的缺点。

四：图形组模可重构天线

在这部分中，图形组模被讨论作为工具将天线从庞大的状态转换为软件可嵌入的设备。图形组模允许自动化的优化和控制任何可重构天线的调谐过程。可重构天线的优势在于，这些天线是软件控制并且可以轻易的自动化。图形组模允许应用不同的算法在天线的自动化和优化过程。

图形是不同系统的数学上的说明，它们是系统中不同点之间关系标志性的展示。一个图形也能是一个通信协议的描述，实际上，一个恰当的设计好的图形可以恰好地描述和指向自管理系统的网络拓扑改变，这样使用那个来模拟可重构天线。

图收集了边界连接线的顶点。每个顶点展示天线的一部分或者一个开关的端点。不同天线部分或者开关的激活间的连接被边缘连接着反馈端点展示。几个规则被介绍来模拟可重构天线。这些规则允许设计者对相应的电磁性能寻找每个可能的拓扑结构。一旦一个图绘制好了，相邻矩阵会基于这图形成。这样，图形将天线转化为一个多种算法可以应用的矩阵。

图十二 (a)减少多余前的可重构天线 (b)减少多余后的可重构天线

图形模型也能用于决定一个天线结构中冗余部件的存在。一个元件如果它的存在给天线更多的功能超过了需求并且它的改变不影响天线的性能，那么它会被定义成冗余。一个冗余的缩短方式提出来从可重构天线结构里消除冗余的部件为了更有效的设计。从天线结构消除冗余部件减少它的复杂度并且允许更有效的天线重构。例如，在开关可重构天线中消除多余开关减少非线性影响和相应偏置线上的干扰。如图十二所示的这个平面天线在做在一个六边形的主贴片上，有六个梯形部分围绕它。每个梯形部分通过一个开关连接在主贴片。这样，这个天线最初使用六个开关来改变它的工作频率。这个天线设计在一个FR4环氧基质上，高度为3.2毫米。这个天线的图形模型如图十二（a），由六个顶点展示梯形部分六个部分的顶点与主贴片连接。经过基于消除冗余方法的图形应用后，使用的开关数量如图十二（b）由六个减少为两个。值得一提的是天线的功能被保留下来并且它的优化结果与原先冗余的天线结果相比较。有着更多开关的天线能从消除冗余方法中获益来提高它们的效率并且允许更简单的控制和集成。

可重构天线可

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