出品：科普中国

【资料图】

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

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。

编辑：郭雅欣