《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Control over bow-tie antenna radiation via Mie-resonant dielectric particles
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新型宽频带天线通过Mie共振介质颗粒实现动态热调谐控制，在5G高频段验证了无金属损耗的精准频带过滤与重构方法。
安德烈·A·扎雷宁（Andrey A. Zarenin）|德米特里·V·日里欣（Dmitry V. Zhirihin）|德米特里·S·菲洛诺夫（Dmitry S. Filonov）
俄罗斯莫斯科物理技术学院光子学与二维材料中心，多尔戈普鲁德尼（Dolgoprudny），莫斯科州 141700
摘要
宽带和超宽带天线的使用对于现代无线通信系统（包括5G和6G）至关重要。其功能的一个关键方面是对工作带宽的精确控制，以确保信号完整性并减少干扰。在这项工作中，我们介绍了一种利用米氏共振介电颗粒进行动态天线控制的新方法。我们证明了将紧凑的全介电球形和圆柱形谐振器与蝴蝶结天线集成，可以在其工作频谱内创建明确的阻带，有效过滤不需要的频率，而不会产生与金属元件相关的损耗。此外，我们还揭示了一种创新的热调谐机制，该方法利用了陶瓷材料的温度依赖性介电常数。这种方法允许主动移动这些阻带，从而动态重新配置天线的带宽。我们的结果通过在5G高频下的数值模拟得到了验证，展示了一种简单高效的天线辐射控制新范式，为智能、自适应和环境适应性强的通信设备铺平了道路。
引言
宽带和超宽带（UWB）[1] [2] 技术对于现代无线系统（包括5G和未来的6G）至关重要，因为它们具有多频段操作能力和高速数据传输能力。这些标准向更高频率的转变进一步增加了对紧凑、可集成、低成本且易于制造的UWB 平面 天线设计的需求。蝴蝶结天线是一个著名的例子，它广泛应用于通信、雷达和传感系统中。其稳定的几乎全向辐射模式、简单的设计和制造过程使其成为多种实际应用的理想选择。
蝴蝶结天线最早在20世纪中叶被研究[3]，但在最近几十年才受到广泛关注。对这些天线的严格理论理解得到了各种实验原型的支持，这些原型具有不同的形状和馈电方式[5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]，包括受超材料启发的设计[16] [17] [18] [19]。蝴蝶结天线已被提出用于多种实际应用，如5G技术和雷达系统[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30]，包括地面穿透雷达[24] [25]、微波成像[26]和生物医学可穿戴设备[27]。
尽管宽带天线（包括蝴蝶结类型）具有广泛的功能性和适用性，但它们要更深入地集成到现代无线系统中，需要开发和实施新的控制方法。开发可重构宽带天线[28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] 是现代天线工程中的一个关键目标。这些天线能够动态调整工作特性，如频率范围、辐射模式或极化方式，从而提高通信设备的效率和功能。宽带天线系统中的一个关键挑战在于能够选择性地控制工作带宽并减少不需要的干扰。
在本文中，我们提出利用米氏共振介电颗粒[35] [36] [37] 来操控宽带天线的辐射。介电谐振器在微波工程中得到广泛应用，并用于天线[38] [39]，以提高MRI成像质量[40] [41]，以及扩展无源RFID标签的覆盖范围[42] [43] [44]。然而，它们在控制带宽和辐射特性方面的应用仍然相对较少。在这项工作中，我们提出了一种利用全介电颗粒的基本米氏共振进行天线控制的新方法。我们展示了操纵宽带蝴蝶结天线工作频带并过滤掉不需要的频率的可能性（图1）。我们研究了蝴蝶结天线与两种类型谐振器的相互作用：（i）单共振球形谐振器和（ii）多共振圆柱形颗粒。我们证明球形和圆柱形介电谐振器都可以作为紧凑、低损耗的频谱滤波器，在蝴蝶结天线的宽工作带宽内创建明确的阻带。最重要的是，我们引入了一种热调谐机制，将这种静态过滤转变为动态控制系统。
在后续阶段，为了验证我们的辐射控制概念，我们将谐振介电颗粒引入了系统中。
章节摘录
蝴蝶结天线的仿真
蝴蝶结天线是一种简单的宽带平面天线，作为一种偶极子天线，由两个金属部件组成，馈电位于它们之间的间隙处。典型的蝴蝶结天线设计包含三角形臂，其特征是三个几何参数：L——天线臂的长度，W——总宽度，g——馈电间隙。臂的加宽可以显著提高天线的带宽，相比传统的偶极子天线。
作为第一步，我们进行了全波数值模拟
蝴蝶结天线的热调谐机制
在微波陶瓷的开发过程中，特别关注了它们的热特性[35] [36] [37] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [54]。虽然开发温度稳定的微波陶瓷对许多应用至关重要，但在其他应用中，可控的介电常数温度依赖性可能更有益。例如，各种铁电材料的介电函数表现出强烈的温度依赖性[35] [36]，这对于
结论
总结来说，我们展示了一种通过米氏共振介电颗粒控制蝴蝶结天线辐射特性的方法。我们通过数值模拟研究了与球形和圆柱形介电谐振器集成的蝴蝶结天线在5G高频范围内的辐射特性。我们的结果表明，可以利用介电颗粒的单次和多次共振来选择性地抑制特定频段
作者贡献声明
德米特里·S·菲洛诺夫（Dmitry S. Filonov）：撰写初稿、监督、资源管理、项目管理和方法论设计、资金获取。德米特里·V·日里欣（Dmitry V. Zhirihin）：撰写和编辑、软件开发、数据整理。安德烈·A·扎雷宁（Andrey A. Zarenin）：撰写初稿、可视化处理、软件开发、实验研究和形式分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：德米特里·菲洛诺夫报告称得到了莫斯科物理技术学院国家研究大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了俄罗斯科学基金会在项目编号#24–19–00269下的支持。
