出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監制：中國科普博覽

現在，我國的5G建設正在高速發展中?；仡櫷ㄐ啪W絡系統的進化過程，其中涉及到了不少黑科技。在未來通信網絡系統（如6G）中，有一個黑科技將會成為不可或缺的組成部分，那就是可重構天線。

（圖片來源：參考文獻1）

可重構天線，很可能是我們大家都非常陌生的概念，其實在現代通信領域，它是非常重要的一種器件?？赐赀@篇文章，相信你就知道什么是可重構天線，它能用到哪兒，以及在這個領域有什么最新的發展了。

天線界的變形金剛——可重構天線

還記得最早的“大哥大”“小靈通”，或者是家里的收音機嗎？它們有一個共同的特點——頭上頂著天線。我們現在使用的手機，結構大大簡化了，形狀大多是一個長方體。但是你知道嗎，其實天線并沒有消失，只是從外置變成了內置。當我們使用手機或者其他無線設備時，需要使用天線來接收和發送無線信號。

那可重構天線，顧名思義，一定是有哪些參數可以發生改變嘍？沒錯，可重構天線就是一種可以根據需要，在操作期間改變其天線結構或參數的設備。

內置天線

（圖片來源：veer）

它可以通過改變自身的配置，來適應不同的無線通信需求，例如不同的信號頻率、不同的信號方向等等。相比于傳統的固定結構天線，可重構天線具有更高的靈活性和適應性，可以幫助我們更好地應對不同的通信需求。

打個比方，可重構天線就像瑞士軍刀一樣，具有多種功能和用途，可以在不同的應用場景中發揮不同的作用，例如提高通信質量、增強抗干擾能力、擴大覆蓋范圍等。

這么看來，配置了可重構天線的設備，會根據不同的環境進行調節，信號一定也不會差。

在使用可重構天線的車載導航系統中，當車輛行駛到不同的城市和地區時，可重構天線可以根據當地的天氣、地形和建筑物等因素，動態地調整其方向和極化（極化的概念我們會在后面介紹），以保證車載導航的信號質量和穩定性。

車載導航系統

（圖片來源：veer）

那么，能實現這么強大功能的可重構天線，使用的材料與內含的技術一定也不簡單吧？其實有些技術和材料，你可能看著還覺得挺眼熟的。

可重構天線可以使用多種技術和材料來實現其可調性。以下是一些常見的可重構天線技術和材料：

可調電感器和電容器：可以通過改變其電感或電容值來改變天線的頻率響應和方向性。

PIN二極管和場效應管（FET）：可以作為射頻開關，控制天線上的電流或電壓，從而改變其特性，例如調整頻率、極化或方向性。

液晶材料：可以通過電場控制其折射率和偏振特性，從而實現天線的極化調節。

壓電材料：可以通過施加電壓來改變其形狀，從而改變天線的結構和特性。

人工電磁材料（metamaterials）：可以通過微觀結構設計來實現具有特殊電磁性質的材料，例如負折射率、超材料等。這些材料可以用于設計可重構天線，并實現一些非傳統的特性，例如超寬帶、極化旋轉和電磁波聚焦等。

這些技術和材料可以組合使用，以實現更為靈活和可控的可重構天線。

可重構天線的應用領域超乎你想象

可重構天線具備這么強大的功能，它的應用領域也十分廣泛?？赡苣氵€沒有意識到，我們的日常生活中已經有許多可重構天線的參與?？芍貥嬏炀€在移動通信、雷達和衛星通信等領域已經獲得了廣泛的應用。

在移動通信領域，可重構天線可以幫助我們實現多頻段、寬帶和多天線系統，以提高通信質量和容量。例如，可重構天線可以根據網絡負載和信號強度自適應地調整其天線方向，以最大化信號接收和發送效率。另外，可重構天線也可以用于改善車輛通信、智能家居等場景下的信號質量。

在雷達系統中，可重構天線可以提高雷達系統的分辨率、探測距離和抗干擾性能。例如，可重構天線可以通過調整其極化或方向性來減少多徑干擾和反射，從而提高雷達信號的清晰度和穩定性。

在衛星通信領域，可重構天線可以提高衛星天線的頻率覆蓋范圍和功率效率。例如，可重構天線可以在衛星信號傳輸過程中動態地調整其方向和極化，以適應不同用戶和不同傳輸需求，從而提高衛星通信的效率和可靠性。

阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列中的巨大天線

（圖片來源：維基百科）

談到天線，就不能不聊聊天線的極化

在我們介紹可重構天線的應用時，有一個詞被我們反復提起——極化。很多朋友可能就有疑問了，天線的極化到底是什么？

天線的極化是指電磁波在空間傳播過程中的振動方向。具體來說，可以分為水平極化、垂直極化和傾斜極化。當電磁波在垂直于其傳播方向的平面內振動時，稱為水平極化；當電磁波在沿著其傳播方向的直線方向振動時，稱為垂直極化；當電磁波在既不垂直于傳播方向，也不在傳播方向的平面內振動時，稱為傾斜極化。

極化的概念也可以用下面這個生動的例子來理解。

想象一下你手里拿著一根繩子，繩子的末端有一個球。在無線通信中，我們使用的天線和電磁波也類似于繩子和球的關系，天線的振動方向就是極化方向。

當你用手左右晃動繩子時，球也會左右晃動。這時，我們可以想象球在左右方向上振動，這就是水平極化。如果我們讓球在前后方向上振動，就是垂直極化。如果球不僅在前后方向上振動，也在左右方向上振動，這就是傾斜極化。

因此，選擇合適極化的天線可以幫助我們更好地接收和發送無線信號，從而提高通信效果。

（圖片來源：veer）

需要注意的是，天線的極化方向并不完全等同于天線指向的方向，但這兩個概念是相關的。

在天線的工作過程中，它所發射或接收的電磁波的振動方向是天線的極化方向，而天線所指向的方向是它的輻射或接收方向。

例如，當一個天線的極化方向是垂直極化時，天線發射或接收電磁波的振動方向是垂直于天線的方向。當這個天線指向東方時，它就會發射或接收來自東方方向的電磁波。

因此，天線的極化方向和指向方向是兩個相關但不同的物理量，它們都是天線工作中重要的概念。我們需要根據實際情況來選擇合適的天線極化方向和指向方向，以滿足通信要求。

巨大的路基雷達和移動雷達車

（圖片來源：維基百科）

新型可重構天線新在何處？

目前許多可重構天線的設計存在一些缺陷，比如在高溫或低溫環境下無法正常工作、存在功率限制或需要定期維修等問題。為了解決這些問題，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員將電磁鐵和柔順機構相結合，提出了可重構貼片天線的概念驗證。

研究團隊使用了商業電磁模擬軟件，繪制設計了一個圓形虹膜貼片天線的原型。隨后，他們使用3D打印技術將其付諸于實物，并在電波暗室中測試了它的疲勞故障、頻率和輻射模式的保真度等一系列材料及天線參數。

這個圓形虹膜貼片形狀的可重構天線，只比人類手掌略大一點。它的設計目標是展示特定頻率的應用，針對不同的頻率，可以進行相應的調整。對于高頻應用，這項技術可擴展到集成電路級別；而對于低頻應用，則可以擴大其尺寸。

研究人員表示，此次成果將柔性機構作為電磁學領域中的一種新設計范式，這可能是一個全新的設計領域分支，將為人們帶來令人興奮的應用。

結語

其實可重構天線的概念，在20世紀60年代就被提出。由于可重構天線的特點，在研究過程中，不用再考慮發射和接收機端復雜的信號形成和處理過程。但是，與此同時，也大大增加了對于結構設計的要求。

這次的新成果，結合了3D打印和柔性機構，無疑是對可重構天線研究提供了新的啟示。相信隨著科學家們持續的研究，6G時代也將早日到來。

編輯：郭雅欣