天线使用相变材料来改变形状和频率

两种天线原型已经使用一种特殊的薄膜材料开发，这种材料允许它们通过温度改变形状，并在GHz范围内以不同频率辐射。单个可重构天线可以取代两个或多个传统天线，包括手机、Wi-Fi和许多军事设备中的天线。

南达科他州矿业与技术学院与密歇根州立大学合作开发的天线被记录在IEEE天线与无线传播通讯2015年2月。它们是由二氧化钒薄膜制成的，二氧化钒薄膜是一种“相变”材料，这意味着它在室温下是绝缘体，在68℃以上加热时变成金属。加热-冷却循环是可重复的，相变是可逆的。南达科他州矿业与技术学院的首席研究员Dimitris Anagnostou博士与研究生Tarron Teeslink，以及密歇根州立大学的Nelson Sepulveda博士和学生David Torres合作开展了这项研究。

Anagnostou是电气与计算机工程系的副教授，在过去的15年里，他一直致力于可重构和可调谐天线的研究。迄今为止，常见的方法导致非线性、高损耗、昂贵的制造设备和复杂的偏置机制。

他对二氧化钒的探索表明，这种材料可以用于线性器件，损耗最小，并且可以使用各种传热方法激活。

用于射频通信应用的线性器件通常涉及无源组件，如天线和(微波)滤波器，以及电阻、电容器和电感。

天线通常使用非线性元件(如二极管)进行调谐或重新配置，但这些元件会扭曲电信号，特别是在宽频率范围内。二氧化钒是一种线性材料，这意味着它对所有无线电频率的影响是相同的，不会造成失真，因此适用于窄带和宽带调谐。

可重构天线是一个概念，多年来一直在使用不同的机制进行研究。使用天线重新配置的应用程序的一个简单示例是调整汽车中的现代收音机。例如，当你在收听调频广播时，你的天线“瞄准”前方的发射塔。当你切换到卫星广播时，你的天线必须“瞄准”更高的天空。

目前用于实现这一目标的机制依赖于在独立的天线系统之间切换，和/或涉及移动机械部件——大量带有复杂布线的开关——其中大多数能够一次重新配置单个参数。此外，它们中的大多数允许离散的“开/关”可重新配置。

研究结果为实现多天线参数的模拟天线重构提供了一种简单、低成本的方法。研究人员现在能够在一个连续的数值范围内调整(和编程)频率、辐射模式，甚至天线的极化。这使得一根天线可以满足多种用途。

Anagnostou说，早在1959年，人们就开始研究二氧化钒，当时一篇文章描述了在大约68℃的温度下绝缘体到金属的转变，从那以后，二氧化钒几乎被忽视了，因为对可重构组件、无线通信和天线的需求并不那么重要。

在过去的十年中，由于其在信息存储、更强壮的人造肌肉和导弹制导等方面的应用特性，二氧化钒受到了研究人员的广泛关注。

这是唯一已知的通过改变天线几何形状的特殊材料来实现可重构的成功。其他几所大学目前正在这一领域开展工作，这表明人们对这一领域有着浓厚的科学兴趣。

“新奇之处在于获得了在GHz范围内的天线中集成和应用材料的专有技术。还有很多东西要学。这些原型天线证明了这种材料是有能力使用的，应该进一步研究，”Anagnostou说，并补充说，这种材料可以在一般天线和微波组件设计中找到应用，但最终具有许多军事用途的潜力。他说:“我们正在进行的将这种材料用于隐身和热伪装的实验也非常令人鼓舞。”

作为南达科他州矿业公司和密歇根州立大学的合作提议，美国国家科学基金会为这项工作提供了三年的资助。当Anagnostou和Teeslink在SD矿山进行设计和表征时，密歇根州立大学的研究人员在空军科学研究办公室的洁净室制造天线。

南达科塔矿业与技术学院

www.sdsmt.edu

-由Chris Vavra编辑，CFE Media制作编辑，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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