突破物理瓶颈：面向下一代通信的智能化天线技术专题

《Micromachines》：Editorial for the Special Issue RF MEMS and Microsystems: From Reconfigurable Meta-Surfaces to Advanced MIMO and Miniature Antenna Systems

　　现代无线通信的不断发展、高分辨率雷达成像以及去中心化的移动网络，对电磁系统的自适应能力、极致的紧凑性以及优异的辐射效率提出了前所未有的要求 [1,2]。随着全球工业标准突破传统的低于6 GHz的频谱分配，进入毫米波（mm-Wave）频段以实现数十亿比特每秒的数据吞吐，传统天线范式面临着严峻的物理瓶颈和运行瓶颈 [3]。在如此高的频率下，根据Friis传输定律，路径损耗按平方关系增长，迫使工程师必须依赖高增益阵列，而这些阵列又必须做到极其紧凑，以适应消费类电子产品所固有的严酷的硬件空间限制 [4]。这些高密度架构的实现引入了一个重大的技术挑战，即严重的空间约束所导致的性能下降。当多个辐射单元被压缩到亚波长尺寸的足迹之内时，高密度多端口阵列的集成往往会引入恶化的互耦效应 [5]。这种电磁耦合会扭曲各个单元的辐射方向图，改变预期的输入阻抗，并可能引发相控阵中严重的扫描盲区问题 [6]。与此同时，多频段工作所需的物理体积与消费类电子产品以及下一代物联网（IoT）硬件对极致微型化的要求直接冲突。传统上用于实现多重谐振的标准电抗加载和多分支架构，会不可避免地降低辐射效率并压缩可用的阻抗带宽，而这正是Chu-Wheeler物理尺寸极限所规定的根本性限制 [7]。为了突破这些根本性的边界，当代微波工程正逐步从被动的、静态的几何结构转向智能化的、模态驱动的架构以及电子可重构结构 [8]。通过主动地操控辐射器的表面电流和局部边界条件，现代天线结构能够在实时动态地调节自身的频率、极化方式和辐射波束。本专题聚焦于本期中刊发的六篇研究论文。这些论文所描述的技术范围涵盖了先进的数学建模（贡献1）和特征模态分析（CMA）（贡献2），以及有源或相位定制化的超表面（贡献3-5）和多模解耦机制（贡献6）。文章1探讨了一种应用于远程陆地通信系统的共线结构超宽带单极天线。该天线由一个加载单极天线（带有帽式加载结构）和一个位于上部的悬浮加载单极天线组成。文中将所有集总元件加载都建模为具有线性频率依赖关系的元件，以逼近实际器件在实现超宽带特性时的元件特性，因为元件的恒定值特性仅能在相对较窄的频带内成立。通过优化后的加载参数，其中一根天线覆盖了30–750 MHz频段，驻波比VSWR<3.5；另一根天线覆盖了800 MHz–3000 MHz频段，VSWR<2.5，这一结果对于地面全向应用来说极具前景。文章2研究了如何通过调节无线设备的接地平面来扩展带宽并提升天线效率，特别是在824–960 MHz的低频段。该频段是物联网（IoT）中常用的一种频段，在这种频段下传输极少量的数据即可获得很长的电池续航时间。文章2证明，通过在接地平面上开槽，可以扩展电流分布，从而激励出天线的基波模态，进而提升带宽并将天线效率提高2 dB。该方案通过三块不同的印制电路板（PCB）进行了评估，旨在表征物联网设备的不同因素。文章3研究了透波罩对毫米波天线辐射方向图的影响，其应用于基于合成孔径雷达（SAR）的终端目标自动识别（ETA）系统，重点强调波束宽度和带宽范围内的相位偏移，而非幅度影响。文中针对工作在24.05–24.25 GHz频率范围内的雷达天线评估了三种不同的透波罩方案，其中包括一种基于超表面的方案。在所分析的透波罩方案中，基于超表面的透波罩取得了最优结果。文章4提出了一种可重构的频率选择表面（R-FSS），能够动态地在WLAN、WiMAX以及低于6 GHz频段之间切换。该R-FSS的电子开关机制由PIN二极管实时控制。根据这些二极管的激活状态，该结构以三种不同模式工作。这种可重构性使所提出的结构能够在WLAN、低于6 GHz以及WiMAX频率范围内工作，或者具有两个窄阻带，或者具有一个宽阻带，同时为频率选择应用提供了极化选择性。文章5提出了多波束和波束扫描天线，可在扩大通信覆盖范围的同时减轻多径衰落并提升频谱利用效率。文章5展示了一种透射型超表面天线设计，采用带有四个馈电端口的微带方形环形贴片天线作为激励源。在馈电源上方布置了一个7×7的方形贴片超表面，通过对四个馈电端口进行开关激活来切换，从而生成四个可独立扫描的波束。该方法兼具低剖面、低成本的特点，并能灵活操控电磁波的辐射，为设计多波束通信天线提供了新的方法论。文章6通过开发一种超紧凑的三频段MIMO天线系统，解决了消费类电子产品的瓶颈问题。作者采用了一种复杂的多模激励结构，使物理尺寸极其微小的天线单元能够在所有三个WiFi 7频段分配下均高效谐振。此外，他们在接地平面上引入了专门的解耦开槽和独立的电路路径。该方法将互耦抑制到?15 dB以下，并使得包络相关系数（ECC）远低于标准阈值。这项工作贡献了一个完全可实现的、高隔离度的天线框架，使超轻薄硬件形态真正释放出WiFi 7的数据速率潜力。本期收录的这六篇文章凸显了射频、微波以及毫米波工程领域明显的范式转变。这些研究人员不再将物理尺寸、互耦以及材料相位失真视为无法逾越的限制，而是借助先进的模态数学理论、动态半导体集成以及像素化超表面来突破传统边界。总体而言，这些工作为开发更快、更小、更加智能的全球通信网络奠定了坚实而极具创新性的技术基础。利益冲突作者声明不存在利益冲突。贡献清单1. Ma, J.; Cao, W.; Yu, X. Design of Two Compact Wideband Monopoles Through Loading with Linear Approximated Lumped Components. *Micromachines* **2024**, *15*, 1477. https://doi.org/10.3390/mi151214772. Arús, S.; Navarro, J.; Pijoan, J.L.; Andújar, A.; Anguera, J. Enhancing Bandwidth and Efficiency with Slotted Ground Planes Embedding Antenna Boosters. *Micromachines* **2025**, *16*, 250. https://doi.org/10.3390/mi160302503. de Cos Gómez, M.E.; Flórez Berdasco, A.; Laviada Martínez, J.; Las-Heras Andrés, F. Radomizing an Antenna for a SAR-Based ETA Radar System While Ensuring Imaging Accuracy: A Focus on Phase Shifts. *Micromachines* **2025**, *16*, 720. https://doi.org/10.3390/mi160607204. Uslu, B.; Bayer Keskin, S.E.; Türker Tokan, N. Dual-Mode Reconfigurable Frequency-Selective Surface for Switching Between Narrowband and Wideband Applications. *Micromachines* **2025**, *16*, 1030. https://doi.org/10.3390/mi160910305. Liu, N.; Huang, L.; Huang, L. Design of a Multi-Beam Switching Antenna Loaded with a Square Metasurface. *Micromachines* **2025**, *16*, 1298. https://doi.org/10.3390/mi161112986. Lin, W.; Du, K.; Jiang, X.; Wang, Y. Design and Implementation of Miniature Multi-Mode 4 × 4 MIMO Antenna for WiFi 7 Applications. *Micromachines* **2025**, *16*, 1331. https://doi.org/10.3390/mi16121331免责声明/出版商声明：所有出版物中所包含的声明、观点和数据仅为各作者和贡献者本人的观点，不代表MDPI和/或编辑部的观点。对于内容中所提及的任何观点、方法、指示或产品可能对个人或财产造成的任何伤害，MDPI和/或编辑部不承担任何责任。? 2026 作者所有。许可方MDPI，瑞士巴塞尔。本文为开放获取文章，依据《知识共享署名（CC BY）许可协议》的条款和条件进行分发。