出品:科普中国
作者:李瑞(半导体工程师)
(相关资料图)
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。
凡本网注明“XXX(非现代青年网)提供”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和其真实性负责。
原标题:“韦小宝”“康熙”穿越到现代寻宝(引题)TVB监制陈维冠:翻拍“鹿鼎记”要有新奇感(主题)华西都市报-封面新闻记者徐语杨1984年,
2023-03-07 14:44
原标题:从小院到胡同再到一条街,《情满九道弯》导演刘家成表示——(引题)拍好京味剧要抓住北京人的魂(主题)北京日报记者李夏至京味剧《
2023-03-07 13:43
原标题:与迪卡唱片签约并发行全新EP《五蕴天地》(引题)谭盾:把中国优厚的音乐传统跟世界分享(主题)北京青年报记者田婉婷近日,作曲家、
2023-03-07 13:47
原标题:长篇小说《耐烦》:根植乡土呈演陕北乡村五十年变迁中新网北京3月6日电(记者高凯)一个家族的生存图谱,一部陕北乡村五十年变迁史,
2023-03-07 13:49
原标题:情节老套人设刻板(引题)仙侠古偶剧走向下坡路(主题)齐鲁晚报记者师文静近日,《星落凝成糖》《重紫》等仙侠剧同时播出,从剧情到
2023-03-07 13:34
原标题:送别黄婉秋:她是“永远的刘三姐”中新网桂林3月6日电 作者赵琳露蒋丰慧3月6日,中国著名表演艺术家黄婉秋遗体告别会在广西桂林市殡
2023-03-07 13:55
“对话up主”原标题:蔡志伟de绒花发扬的继承才能光大非遗天津日报记者胡春萌蔡志伟是非遗项目北京绒鸟(绒花)第六代传人,他与孙红健导演合
2023-03-07 08:45
原标题:双雪涛:幕布后的小说家写小说不是按照图纸盖房子的过程,而是你自己跳到水里去游——————————如果听到一本书名叫“白色绵羊
2023-03-07 08:32
原标题:芭蕾舞组诗《榜样》北京首演辽宁日报讯记者朱忠鹤报道3月5日,北京天桥艺术中心内观众的掌声一浪高过一浪,芭蕾舞组诗《榜样》第一次
2023-03-07 08:56
原标题:新锐译者何雨珈:每一次翻译都是与作者的强烈共情四川日报全媒体记者余如波2月9日清晨,成都天还未亮,何雨珈已经起床来到书房。一台
2023-03-07 08:42
原标题:开心麻花广州组《婿事待发》即将首演广州日报讯(全媒体记者张素芹)经过3个月的前期筹备工作,广州开心麻花爆笑喜剧《婿事待发》已正式
2023-03-07 08:46
原标题:高英坡:促进乡村工艺美术创意产业发展王凯东高越“作为新任全国政协委员,我深感责任重大。”“我不能错过每次深入企业调研的机会,
2023-03-06 15:42
原标题:西藏拉萨:G219旅游院线电影《一路向南》开机中新网拉萨3月6日电(贡嘎来松)6日,G219旅游院线电影《一路向南》开机仪式在拉萨举行。该
2023-03-06 15:35
原标题:“恐龙医院”:“会诊”1 5亿岁异特龙近日,作为广东地区第一家自然科学主题的博物馆,正佳自然科学博物馆于馆内举办了异特龙病理研究
2023-03-06 15:55
原标题:在300年的锦纶会馆看非遗与时尚的融合广州日报全媒体记者卜松竹在有300年历史的老会馆里走一场时装秀,是什么样子?昨日下午,一场香
2023-03-06 15:53
原标题:国家文物局等7部门出台方案(引题) 重点打击盗掘古文化遗址古墓葬等犯罪活动(主题)北京日报讯(记者牛伟坤)到2025年,我国打击防
2023-03-06 15:50
原标题:“狂飙”式减压法不可取,正确方式是运动很多人认为,压力完全是由外界因素导致的,其实不然。压力是主观和客观交互作用产生的。一件
2023-03-06 14:45
原标题:《美术里的中国》第三季邀您共赏泼墨泼彩绘就的黄山传奇云烟化杳冥,山水入丹青。中央广播电视总台大型纪录片《美术里的中国》第三季
2023-03-06 14:35
原标题:全新阵容《天下第一楼》中饰演掌柜卢孟实(引题) 人艺浸泡20年王雷接棒经典(主题)北京晚报记者李俐方非摄下午五点,离首都剧场开
2023-03-06 14:48
原标题:戏曲大省福建:守正创新纳新苗中新网福州3月6日电(叶秋云陈曦)转轴拨弦间,选手们水袖飞扬、翩然亮相;伴随着明快流畅的曲调,选手们
2023-03-06 14:34
原标题:中国电影家协会发文悼念黄婉秋中新网3月6日电6日,中国电影家协会微信公众号发文,沉痛悼念著名表演艺术家黄婉秋。其中提到,黄婉秋同
2023-03-06 14:45
原标题:寻访郑板桥在北京的足迹户力平清代“扬州八怪”之一的郑板桥,以诗、书、画“三绝”而闻名于世。他与北京有着不少渊源,曾四次进京,
2023-03-06 13:38
原标题:《流浪地球》《三体》何以异军突起?(引题) 科学家加持让科幻够“硬”(主题)文 羊城晚报全媒体记者龚卫锋知名科学家担任科幻片的
2023-03-06 13:56
原标题:情感共鸣才是国漫破圈之道田可新马旻琪从《西游记之大圣归来》《大鱼海棠》到《罗小黑战记》《三体》,国产动漫看似佳作不少,整体却
2023-03-06 13:57
原标题:历史随笔(引题) 尺有所短寸有所长(主题)在北宋,田钦祚是出了名的小人。《宋史》记载:“钦祚性阴狡,尤不喜儒士,好狎侮同列,
2023-03-06 11:50