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勇于探索天线领域的“黑科技”
访我校十七届“挑战杯”“黑科技”专项赛全国一等奖获奖团队
发布日期:2022-05-18 阅读次数:1497 来源单位:党委宣传部(新闻中心挂靠)  责任编辑:范苏

创造性地从各向异性的角度完成了介质贴片天线的设计理论突破,提出一种新型变容二极管加载方案,引入耦合电容的概念,不仅解决了传统天线的能耗问题,更是首次实现了具有高辐射效率的频率可重构介质贴片天线及阵列。不久前,我校信息科学技术学院师生团队研发的新型天线在十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛“黑科技”专项赛中被专家评委评定为“恒星”级作品并荣获该专项全国一等奖。

“天线可以说是无处不在,生活中凡是无线通信都要用到天线。”团队成员、信息与通信工程专业19级硕士研究生唐世昌介绍道,“目前的生活中,大规模使用的是金属天线,也叫作微带贴片天线,虽然满足现阶段的发展需求,但随着通信频率的升高,它的辐射效率就会逐渐降低,也会产生更大的能量损耗。”

作为无线通信系统中收发信号的部件,天线在信息传输中发挥着至关重要的作用。随着以 5G 为基石的“智联万物”时代拉开序幕,为满足高速率、大容量的通信需求,当前基站上堆积了大量功能单一的天线,造成了体积和能耗的激增。研究表明,全国要实现5G覆盖,需要约600万座基站甚至更多,一年将消耗约 1800 亿度电,是4G的3倍。

如何让天线具有更高性能、更加灵巧,是摆在5G时代甚至是6G时代面前一道“卡口”。当前通讯学界主要流行一种介质谐振器天线,解决了随着频率升高导致的辐射频率降低的问题,但高大的剖面占据了基站的空间,也提升了制作成本,高集成度、小型化又变成了新的需求。有没有既能满足二者需求和结合二者优点的天线呢?这一想法在团队成员的心中萌芽。

“我们刚开始时先借鉴了介质谐振器天线的工作机理,把介质材料和基板材料相结合,在工作效率不断增高的情况下也能保障稳定且高效的辐射效率。”团队成员、电科182班王晓凡说道。但是相较于传统的纯金属天线来说,在加工时,介质类天线使用的不同材料的各种性能不同,在加热过程中会发生不同的变化导致无法融合。

在探索中,香港城市大学两位教授提出的一种介质贴片天线的基本模型受到了团队的关注。“介质贴片天线,是一种新型的准平面化天线,相较于传统金属天线,它的尺寸减小了50%,效率能提升10%以上。”发现这模型让团队成员眼前一亮,但团队成员、信息与通信工程专业19级硕士研究生王雪颖说道:“可惜的是,由于缺乏理论指导,工业界和学术界对介质贴片天线的研究均进度缓慢,存在谐振模式工作原理及天线辐射机理不清等诸多问题。”

团队成员们苦思冥想,最终在指导老师陈建新教授的“点拨”下,了解到了可重构技术。“传统的天线是按照某个定向场景设计的,相当于一个天线只能服务于单个应用场景,是一种单对单的现象。”陈建新教授介绍道,“如果在单个天线上加入可重构技术,把天线的性能重新构造,自由切换对应不同的场景,达到单对多,不仅降低了基站的建设成本、降低通信平台上的天线数量,更符合我们现在飞速发展社会多样的应用场景以及人们多元的通讯需求。”

“可重构技术是一个很前沿的技术,在这个技术的赋能下,介质贴片天线就会成为一个很有优势的产品。”找到前进的方向,团队成员们干劲十足。“当时陈老师提醒我们关注介质贴片谐振器的层叠结构,让我们尝试充分挖掘它的优势。”王晓凡说,“因此我们进行了文献调研,发现了传统的调谐元件加载方案会恶化天线的辐射性能的问题。”于是,团队结合谐振器的层叠结构,吸取传统金属天线的优点,决定在他们研究的介质贴片天线第二层的基板放置可调元件,因为运用了陶质材料,所以并不会影响到谐振器辐射时的工作特性,完美地把电容二极管作为可调元件,将可重构技术运用到介质贴片天线上。

每一条通往成功的道路都是坎坷的。在理论分析阶段对于二极管加载方案的工作机理以及其他的公式推导,团队师生们反复琢磨了很久。“可能我们刚开始想象的公式只是一个初步结果,但仿真测试结果出来之后二者差距很大,我们就可能要把原来的想法推翻,换一种思路再去想。”唐世昌提到。任何的物理实验都要求严谨,一些细微的差距就可能导致不同的结果,好在同学们认真仔细,不怕困难,在老师的引导下终于让仿真和计算结果达到了良好的一致性,二者误差不超过5%。

“同学们都十分努力,我从大三开始带领他们做各种科研,他们每一项工作都可以尽善尽美,每一件事都可以做到极致。”陈建新教授对团队同学们能坐住冷板凳、一丝不苟的精神十分欣慰。

突破了介质贴片天线设计理论,结合可重构技术和介质贴片天线技术,为日后天线的发展作出了尝试,国家级竞赛一等奖的荣誉对团队来说实至名归。“虽然我们都付出了很多的时间和努力,但一切都是值得的。”唐世昌骄傲地说。经过评审专家的点评和比赛的实践,不仅验证了同学们在介质贴片天线上的成果,也为他们树立了更大的信心,坚定了之后的研究方向。团队在天线的设计和理论上发表了多篇论文,不仅如此,他们的介质贴片天线还申请到了三件国家专利,并且受到了通信基站天线行业龙头企业的青睐,让团队的成果能够得到落地实践。

去年11月,工信部指出,在“十四五”期间力争建成全球规模最大的5G独立组网网络。可以预见,随着新材料和新工艺的不断涌现,毫米波介质贴片天线的开发与应用将迎来新一轮的研究热潮。“我们未来将致力于把介质贴片天线的研究拓展到毫米波频段,解决目前所面临的实际应用中的问题。”王雪颖说。“为此,我们会在后续研究中不断地创新,让介质贴片天线满足更加丰富、更加多样、更加严苛的应用需求,把它发扬光大。”唐世昌补充道。

(校报记者 范苏  校报学生记者 钟钰婷)

信息科学技术学院十七届“挑战杯”“黑科技”专项赛全国一等奖获奖团队。


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