面向小型物联网设备物理层安全的双频段波束赋形天线设计与定向调制研究

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Dual-Band Beam-Steering Antenna for Physical Layer Security in Small IoT Devices

本研究针对小型物联网设备在无线通信中面临的信息窃听风险，提出了一种新型双频段波束赋形天线，用于实现物理层安全中的定向调制技术。研究人员设计了一种直径λ/2、剖面高度λ/10的堆叠贴片天线结构，通过在2.71GHz和5.48GHz两个频段实现全水平面波束赋形，实现了误码率低于10-5的安全传输，为资源受限的物联网设备提供了增强型安全解决方案。

　　

在当今物联网设备爆炸式增长的时代，无线通信安全面临着前所未有的挑战。由于无线信道的广播特性，传输的信息极易被非目标用户窃听，这对物联网设备的数据隐私构成了严重威胁。特别是对于计算资源有限的物联网终端，传统的加密方法往往因计算复杂度高而难以实施。物理层安全技术应运而生，其中定向调制作为一种新兴技术，能够在物理层面对信号进行空间调制，使合法接收方向上的信号保持正确的调制星座图，而在其他方向上则通过人工噪声扰乱星座图，从而有效防止信息被窃听。

然而，现有的定向调制技术大多基于阵列天线结构，需要λ/2的单元间距，这在尺寸受限的小型物联网设备中难以实现。虽然已有研究尝试采用紧凑天线实现定向调制，但这些方案往往只能工作在单频段，且天线尺寸仍然较大。双频段定向调制系统具有显著优势：能够同时在不同频段传输数据，增强安全性的跨频段保护，提高网络可扩展性，实现干扰缓解和频率冗余等。正因如此，开发一种适用于小型物联网平台的双频段紧凑天线，实现安全的定向调制传输，成为了当前研究的重点难点。

在这项发表于《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》的研究中，Abel Zandamela等人提出了一种创新的双频段波束赋形天线，专门用于小型物联网设备的物理层安全增强。该天线采用四层堆叠贴片结构，通过激励不同的正交谐振模式，在2.71GHz和5.48GHz两个频段实现了全水平面的单向波束赋形。

研究人员主要采用了腔体模型分析、多模式激励技术和相位补偿方法等关键技术。通过精确控制不同贴片层上的TM₂₁、TM₀₁、TM₁₁、TM₃₁和TM₀₂等正交模式的激励，结合短路针加载和缝隙调谐技术，实现了双频段操作和良好的端口隔离特性。天线设计采用七端口馈电方案，通过分析各模式在水平面上的相位特性，应用相位补偿算法实现波束赋形。

天线设计与性能

天线结构包含四个堆叠贴片辐射器，由三层Rogers RT5880介质层分隔。L1层通过两个端口激励两个正交的TM₂₁模式，采用八个缝隙实现小型化；L2层通过短路针技术同时激励TM₀₁和TM₀₂模式；L3层激励正交的TM₁₁和TM₃₁模式；L4层则激励正交的TM₂₁模式。测量结果显示，天线在低频段具有10MHz的-10dB阻抗带宽和>13.5dB的隔离度，高频段相应值为50MHz和>14dB。

波束赋形特性

研究通过分析各激励模式在水平面上的相位分布，建立了基于相位补偿的波束赋形算法。在低频段，结合TM₂₁、TM₀₁和TM₁₁模式的相位特性，实现了65°半功率波束宽度的单向波束赋形；在高频段，利用TM₀₂、TM₃₁和TM₂₁模式，实现了41°半功率波束宽度的赋形性能。

定向调制性能

研究通过数值仿真和实验测量验证了天线的定向调制性能。在12dB信噪比条件下，低频段实现了最低2×10^-5的误码率，误码率<10^-2的波束宽度达到54°；高频段相应值为2×10^-5和33.5°。定向调制信号在合法接收方向上呈现清晰的QPSK星座图，而在窃听方向上则呈现扰乱状态，有效增强了通信安全性。

该研究的创新性在于首次实现了适用于小型物联网设备的双频段定向调制系统，相比现有技术具有明显优势：天线尺寸紧凑（λ/2直径，λ/10剖面），支持双频段同时安全传输，能够向双频段接收器通信，支持不同空间位置的多接收器场景，并具备自适应频段切换能力。这种设计为资源受限的物联网设备提供了一种有效的物理层安全解决方案，无需复杂的密码学计算即可实现安全通信，同时通过定向传输降低了能耗，延长了电池寿命。

研究表明，这种双频段波束赋形天线架构为物联网安全通信开辟了新途径，特别是在智能家居、工业物联网和可穿戴设备等场景中具有广泛应用前景。未来工作可进一步探索实时通信链路实现和多频段扩展，推动物理层安全技术在物联网领域的实际部署。