新型介質貼片天線身材更小 通信效率更高

文／張 曄 范 蘇 鐘鈺婷

創造性地實現介質貼片天線的設計理論突破，提出一種新型變容二極管加載方案，引入耦合電容的概念，解決了傳統天線的能耗問題，首次實現具有高輻射效率的頻率可重構介質貼片天線及陣列……在近日舉行的第十七屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽“黑科技”專項賽中，南通大學信息科學技術學院學生團隊研發的新型天線，被評為“恒星”級作品并榮獲該專項全國一等獎。

該成果結合可重構技術和介質貼片天線技術，為日后天線的發展做出了嘗試。不僅如此，他們的介質貼片天線還申請到了3項國家專利，并且受到了通訊基站天線行業龍頭企業的青睞。

基站天線亟待“瘦身”

作為無線通信系統中收發信號的部件，天線在信息傳輸中發揮著至關重要的作用。“天線可以說是無處不在，生活中凡是無線通信都要用到天線。”團隊成員、信息與通信工程專業19級碩士研究生唐世昌介紹道，“目前大規模使用的是金屬天線，也叫作微帶貼片天線，雖然這種天線能滿足現階段的發展需求，但隨著通信頻率的升高，它的輻射效率就會逐漸降低，也會產生更大的能量損耗。”

去年11月，工信部指出，在“十四五”期間我國力爭建成全球規模最大的5G獨立組網網絡。

隨著以5G為基石的“智聯萬物”時代拉開序幕，為滿足高速率、大容量的通信需求，當前基站上堆積了大量功能單一的天線，造成了體積和能耗的激增。如何讓天線具有更高性能且更加靈巧，是擺在5G時代甚至是6G時代面前的一道難題。

介質貼片天線技術實現突破

“我們剛開始時先借鑒了介質諧振器天線的工作機理，把介質材料和基板材料相結合，天線在通信頻率不斷增高的情況下也能保障穩定且高效的輻射效率。”團隊成員、電子科學與技術專業本科生王曉凡說道。

但是相較于傳統的純金屬天線來說，在加工時，天線使用的不同材料性能不同，在加熱過程中會發生不同的變化導致無法融合。

在探索中，香港城市大學兩位教授提出的一種介質貼片天線的基本模型引起了團隊成員的關注。

“介質貼片天線，是一種新型的準平面化天線，相較于傳統金屬天線，它的尺寸減小了50%，效率能提升10%以上。”團隊成員、信息與通信工程專業19級碩士研究生王雪穎說道，在南通大學教授陳建新的指導下，團隊利用可重構技術設計開發了介質貼片天線。

“傳統的天線是按照某個定向場景設計的，相當于一個天線只能服務于單個應用場景。”陳建新教授介紹道，“如果在單個天線上引入可重構技術，把天線的性能重新構造，使其能夠自由切換，應對不同的場景，不僅能降低基站的建設成本、通信平臺上的天線數量，更適應我們現在社會多樣的應用場景以及用戶多元化的通信需求。”

“當時，陳建新老師提醒我們關注介質貼片諧振器的層疊結構，讓我們嘗試充分挖掘它的優勢。”王曉凡說，“因此我們進行了文獻調研，發現了傳統的調諧元件加載方案會惡化天線輻射性能的問題。”于是，團隊結合諧振器的層疊結構，吸取傳統金屬天線的優點，決定在他們研究的介質貼片天線第二層的基板放置可調元件，因為運用了陶質材料，所以并不會影響到諧振器輻射時的工作特性，完美地把電容二極管作為可調元件，將可重構技術運用到介質貼片天線上。

可以預見，隨著新材料和新工藝的不斷涌現，毫米波介質貼片天線的開發與應用將迎來新一輪的研究熱潮。“我們未來將致力于把介質貼片天線的研究拓展到毫米波頻段，讓介質貼片天線滿足更加豐富、更加多樣、更加嚴苛的應用需求。”唐世昌告訴記者。

（文章來源：《科技日報》）