6G超小型天线发布 | 科普:天线的起源与发展历史

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6G超小型天线发布

近年来,由于对无线通信的更高速率和更大容量的需求不断提高,全球范围内开始研究可实现100Gbps或更高传输速率的B5G / 6G移动通信技术。太赫兹无线电有望成为超高速无线通信系统的候选者,因为其具有比在5G中使用的毫米波频段更宽的频带。

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为了广泛利用频率比在5G中使用的准毫米波段高一个数量级的300 GHz频段无线通信,开发高增益天线以补偿较大的传播损耗显得非常重要。然而,天线增益和天线开口面积具有基本成比例的关系,并且既要实现天线的小型化又要实现高增益是一大挑战。

软银株式会社、NICT等于近日使用在300 GHz频段太赫兹无线电上运行的超小型天线成功进行了无线通信实验。其中采用的小型介电天线(1.36毫米×1.36毫米×1.72 毫米,开口面积1.8平方毫米,增益约15 dBi),该天线是利用光子射流效应于2020年开发的;这是太赫兹频段可用于智能手机等短距离通信的第一步,并且是通过改善与当前正在开发的太赫兹无线电兼容的收/发器的输出和接收灵敏度性能而实现的,显示了长距离通讯的可能性。

太赫兹波无线通信中通常使用的微型天线为9.0毫米×9.0毫米×47.5毫米),而此次试验中使用的发射器/接收器没有使用特殊部件,并且仅由市售部件组成。

在这项研究和开发中,仅使用市售材料就可以实现使用小天线的300GHz频带高速无线传输,该天线被认为可以安装在智能手机上。在全球范围内,在300 GHz频段内运行的高灵敏度小型接收机和大功率放大器的研究与开发正在迅速发展的同时,与无线电信号波长相同大小的小型天线的实现使在太赫兹无线电上工作成为可能。它可以安装在集成电路上,有望在Beyond 5G / 6G时代为超高速无线通信的实际应用做出贡献。

天线的起源与发展历史

大家一定都很熟悉天线的英文名称一般叫做 Antenna;其实,它的另一个名称叫 Aerials。所谓 Aerials 就是一条用来发射或接收无线电讯号的长导线。从这个名称可以看出来,实验家们在还没有把天线发扬光大之前,天线原来是什么样子。

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二战中屡立奇功的英国雷达天线

下面试着以「以古鉴今」的方式来了解天线,最主要的是希望从中可以看到天线的有趣实验与动脑筋的精神,最后要简略地介绍天线的发展历史……

一、有趣的天线发明史

「威尔」发现了导线的妙处

我们一路回到最早期的无线电时代。在电力未发明以前,所有的机器都以煤油供应,例如以煤油为动力的冰箱就是很好的证明。

早期有位实验家,名叫「威尔」 (Whitfield Whire),他发明的无线电发射机可以发出很大的火花,但讯号却无法发射出去。实际上他发明的发射机是以火花放电原理产生的无线电。但是让他最吶闷的是,试用了无数的方法,就是无法接收到这发射机所发射的讯号。后来是收到了,但讯号很弱。

为了更进一步验证电波是否可以穿过桌面,他把发射机摆在桌子底下,为了取得讯号,接收机被吊在桌子上方的天花板上,令他感到意外的是,吊着接收机的这一条导线,竟然使接收机的效率好了许多,因此,他就把吊着的导线留在那里,从此,他就称他的接收机为「无线电接收机」 (WIRELESS SET),他并且把这一份结果整理成一份报告,发表在美国的 QST 杂志上 (世界上最早的一份业余无线电杂志 )。

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「古浪」发现接地的好处

在这好几年之后,有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的实验家发现到,供电给桌子上的台灯有两条导线,但是接收机的天线只有一条,为什么只有一条天线可以表现得那么好,因此他就针对这个问题继绩探讨下去。

这个问题自然对他困扰不已,但是事情就是如此之巧,在后来他买了一部车子后,他发现车灯也是使用一条导线而已,当然还有另一条线是接车子的外壳。这就使他想到一个问题:若同样把发射机的其中一条导线接到一个共同的接点,是不是会比较好?所以他就用了一条金属管打入地底下,并且拉出一条线接到发射机上头,这竟然使讯号增强了许多,同样地,他也把这重要的发现发表在 QST 杂志上。他在该文中建议,每一座业余无线电台,都需要「接地」 (GROWND)。

「戴柏」发明双偶极天线

天线的下一个主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 发明的。

有一天,当迪普 (戴柏的昵称 ) 走过一个游乐场时,发现当地的狮子会员正在玩跷跷板,他发现这些狮子会员都很快地能保持平衡,想必其中有人运力,使跷跷板在极短的时间内保持平衡。

迪普回到家后,马上拿了一条导线接上机器外壳,另一条导线则接到发射机输出,这就成为一组新的天线。其实,此天线也就是后来大家所熟知的「双偶极」 (DIPOLE) 天线,这是为了记念戴柏,而以他的名字来命名。

「郝柏思」发明天线的虚接地

在 QST 杂志上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论之后,一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的欧洲贵族,发现他的台灯不只两条线,而是三条线,因为这国家的电力系统采用 330V,这虽很自然,但是他想到,为什么北美地区使用220V 供电,也要有三条线。这也就促成他发明了「虚接地线」,这理论常时很少人知道,甚至有人对这理论不以为然。不过,今日对天线有兴趣者,必定知道,虚性接地是必须的,而这些「虚接地」通常也称做 COUNTERPOISE,用发明者的名字以资纪念。

「崔伯」首创较短的双偶极天线

也在 QST 上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论的「崔伯」(Von Trap),由于他家空间不够大,无法架设双偶极天线,所以他沿着天线,每隔几英呎左右就绕几个圈,好把过长的部份缠绕起来,并且在缠绕的电感上并联电容,这就是「崔伯双偶极天线」 (TRAP DlPOLE) 的诞生。

「尼马奇」提出天线理论、发明驻波比表

从美国 QST 杂志发行以来,有关天线的发展史中,最富传奇色彩的是「尼马奇」 (Morries Nimatch),牠的朋友们都昵称他为 Mo。牠是第一位提出天线理论,探讨有关被馈送到长状天线的功率,有多少不会被辐射出去的物理学家。他为了彻底了解这一理论,想知道功率发射出去约有多少,被反射回来约有多少,因而发明了「驻波比表」 (驻波比 SWR 的现在英文正名为 Standing Wave Ratio。当时是 See What Returns 的缩写,意思是有多少功率被折返。)

为了纪念此为驻波比表发明者,以前曾有人把驻波比表称做 MoNimatch。至今,有关驻波比表的制作,依然以此为基础。

QST 杂志依例报导了极为成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天线。从上列一路发展下来,像极了印度教的导师精神。

「雷顿」发现天线匹配

后为「雷顿」 (Raoul Random)发现跷跷板上两端物体互异,但是调整距离也可以达到平衡,天线应该也可以像这样,以人工方式调整,达到平衡 (匹配 )。

「赫兹」建立第一个天线系统

1865年德国物理学家赫兹Hertz (1857-1894, 37岁)建立了第一个天线系统,当时的装配设备如今可描述为工作在米波波长的完整无线电系统,其中采用了终端加载的偶极子作为发射天线,并采用了谐振方环作为接受系统。

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赫兹的天线系统

「马可尼」开创商用无线电、越洋通信

1901年12月,意大利博洛尼亚研究者马可尼在赫兹的系统上添加了调谐电路,为较长波长配备了大的天线和接地系统,并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的2.5km无线电报。开发了商用无线电,开创了越洋通信。

在这些初期的研究上天线获得广泛的关注和应用,其发展大致可划分为三个历史阶段。

二、天线的发展历史

1、线天线时期(19世纪末至20世纪30年代初)

1901年马可尼在加拿大纽芬兰收到的横渡大西洋由英国康泛尔半岛发来的“S”字母信开辟了无线电远距离通信的新时代。其当时所用发射天线是从48m高的横挂线斜拉下50根铜导线形成的扇形结构,可认为是第一副实用的单极天线,震荡源是70Hz的火花发生器。随后又利用4座木塔架设导线网构成方形单锥天线,如图所示,发射波长1000m。

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单锥天线

随着20世纪初电子管的发明和发展,这一时期开头利用长波进行通信,随后发展到中波通信,并因电离层的发现,1924年前后开始了短波通信和远程广播。这一时期也建立了线天线的基本理论。

2、面天线时期(20世纪30年代初至50年代末)

二战前夕,微波速调管和磁控管的发明,导致了微波雷达的出现,厘米波得以普及,无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线,这些天线都是面天线或称口径天线。此外,还出现了波导缝隙天线、介质棒天线、螺旋天线等。战后微波中继通信、广播和射电天文等应用使面天线和线天线技术进一步得到发展、提高。这时期建立了口径天线和基本理论,如几何光学、口径场法等,发明了天线测试技术,开发了天线阵的综合技术。

3、大发展时期(20世纪50年代至今)

1957年人造地球卫星上天标志着人类进入了开发宇宙的新时代,也对天线提出了多方面的高要求,如高增益、精密跟踪、快速扫面、宽频带、低旁瓣等。同时,电子计算机、微电子技术和现代材料的进展又为天线理论与技术的发展提供了必要的基础。1957年,美国制成了用于精密跟踪雷达AN/FPS-16的单脉冲天线,达0.1密位。1963年出现了高效率的双模喇叭馈源,1966年发明了波纹喇叭,1968年制成了高功率相控阵雷达AN/FPS-85。1972年制成了第一批实用微带天线,并作为火箭和导弹的共形天线开始了应用。

近年来还出现了分形天线等小型化天线形式,另一重要进展时发展了天线的信号处理能力,理论上的进展是:创立了矩量法(MOM),时域有限差分法(FDTD)和几何绕射理论(GTD)等分析方法,并已形成商用软件。在天线测量技术方面,发展了微波暗室和近场测量技术,研制了紧缩天线测试场和利用射电源的测试技术,并建立了自动化测试系统。

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美国F-16歼击机上AN/APG-68火控雷达的相控缝隙阵天线

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GPS上的螺旋天线阵

三、未来展望

当今,如今天线已广泛应用于移动通信、广播电视、雷达、导航、卫星气象、遥感等领域。天线技术已具有成熟科学的许多特征,仍然是一个富有活力的技术领域。主要的发展方向是:多功能化(以一代多)、智能化(提供信息处理能力),小型化、集成化及高性能化(宽频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等)。

来源: 滤波器

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