創(chuàng)造性地實現(xiàn)介質(zhì)貼片天線的設(shè)計理論突破，提出一種新型變?nèi)荻O管加載方案，引入耦合電容的概念，解決了傳統(tǒng)天線的能耗問題，首次實現(xiàn)具有高輻射效率的頻率可重構(gòu)介質(zhì)貼片天線及陣列……在近日舉行的第十七屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“黑科技”專項賽中，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)生團隊研發(fā)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(jié)合可重構(gòu)技術(shù)和介質(zhì)貼片天線技術(shù)，為日后天線的發(fā)展做出了嘗試。不僅如此，他們的介質(zhì)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(yè)龍頭企業(yè)的青睞。

基站天線亟待“瘦身”

作為無線通信系統(tǒng)中收發(fā)信號的部件，天線在信息傳輸中發(fā)揮著至關(guān)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(yè)19級碩士研究生唐世昌介紹道，“目前大規(guī)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(xiàn)階段的發(fā)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(chǎn)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(guī)模最大的5G獨立組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

隨著以5G為基石的“智聯(lián)萬物”時代拉開序幕，為滿足高速率、大容量的通信需求，當(dāng)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(zhì)貼片天線技術(shù)實現(xiàn)突破

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

但是相較于傳統(tǒng)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(fā)生不同的變化導(dǎo)致無法融合。

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

“介質(zhì)貼片天線，是一種新型的準平面化天線，相較于傳統(tǒng)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(yè)19級碩士研究生王雪穎說道，在南通大學(xué)教授陳建新的指導(dǎo)下，團隊利用可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了介質(zhì)貼片天線。

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

“當(dāng)時，陳建新老師提醒我們關(guān)注介質(zhì)貼片諧振器的層疊結(jié)構(gòu)，讓我們嘗試充分挖掘它的優(yōu)勢。”王曉凡說，“因此我們進行了文獻調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的調(diào)諧元件加載方案會惡化天線輻射性能的問題。”于是，團隊結(jié)合諧振器的層疊結(jié)構(gòu)，吸取傳統(tǒng)金屬天線的優(yōu)點，決定在他們研究的介質(zhì)貼片天線第二層的基板放置可調(diào)元件，因為運用了陶質(zhì)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(diào)元件，將可重構(gòu)技術(shù)運用到介質(zhì)貼片天線上。

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

(記者 張 曄 通訊員 范 蘇 鐘鈺婷)