2022年度十大天線技術(shù)進(jìn)展

張躍平/ZHANG Yueping

（南洋理工大學(xué)，新加坡 639798）

天線隨處可見，與人們的生活息息相關(guān)。它鑲嵌在手機(jī)內(nèi)，提供全新的、高品質(zhì)用戶體驗(yàn)；它安裝在汽車上，為安全保駕護(hù)航。

天線也會(huì)架設(shè)在叢山峻嶺中，仰望星空，探索著宇宙的起源。天線更會(huì)遨游在太空中，俯瞰浩瀚的海洋與蒼茫大地，用電波“激勵(lì)”著你我他。

天線的應(yīng)用層出不窮。新應(yīng)用、新需求為天線研發(fā)者帶來新的挑戰(zhàn)。每當(dāng)挑戰(zhàn)得到克服，天線技術(shù)就會(huì)取得進(jìn)步。

基于公開發(fā)表的信息，在廣泛征集中國天線產(chǎn)學(xué)研界多位專家的意見后，本文整理出2022年度十大天線技術(shù)進(jìn)展，供大家參考。

1 “逐日工程”微波發(fā)射天線、接收與整流天線

由西安電子科技大學(xué)段寶巖院士牽頭研制的全鏈路、全系統(tǒng)空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)，于2022 年6 月15 日通過驗(yàn)收，如圖1所示。該驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉(zhuǎn)換、電力傳輸與管理、微波發(fā)射天線、接收與整流天線、控制與測量。其工作原理是：首先根據(jù)太陽高度角確定聚光鏡需要傾斜的角度，在接收到聚光鏡反射的太陽光后，位于聚光鏡中心的光伏電池陣，將其轉(zhuǎn)化為直流電能。隨后，通過電源管理模塊，4個(gè)聚光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的電能匯聚到中間發(fā)射天線。經(jīng)過振蕩器和放大器等模塊，電能被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微波。微波以無線傳輸?shù)男问奖话l(fā)射到接收天線。最后，接收天線將微波整流，再次轉(zhuǎn)換成直流電，供給負(fù)載。

▲圖1“逐日工程”地面驗(yàn)證系統(tǒng)

2 非對稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO有源陣列天線

眾所周知，1G、2G 移動(dòng)通信基站采用的是扇形波束單天線技術(shù)，即單輸入單輸出（SISO）架構(gòu)。3G、4G 開始采用多天線技術(shù)，即多輸入多輸出（MIMO）架構(gòu)。而5G則采用基于混合多波束有源陣列天線的大規(guī)模MIMO技術(shù)，在頻分、時(shí)分、碼分的基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘空間資源，以有效提升系統(tǒng)容量。大規(guī)模MIMO 技術(shù)的核心是多波束有源陣列天線。大規(guī)模全數(shù)字多波束陣列天線架構(gòu)是最佳方案，但面臨系統(tǒng)復(fù)雜度、功耗、成本、海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理等一系列瓶頸問題。因此，5G 退而求其次采用了基于相控子陣的混合多波束方案。為了進(jìn)一步大幅提升系統(tǒng)容量，同時(shí)解決上述瓶頸問題，面向6G，東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊(duì)于2019 年提出了“非對稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO 陣列天線”的概念，并獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 “非對稱毫米波亞毫米波大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)驗(yàn)證”（2020YFB1804900）的支持，如圖2 所示。3 年來，非對稱大規(guī)模MIMO 陣列系統(tǒng)架構(gòu)、天線陣列最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、非互易信道特性與建模、陣列通道的校準(zhǔn)與自校準(zhǔn)、通道非線性行為建模與線性化，以及多通道收發(fā)芯片和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等均取得重要進(jìn)展。研究者們研制了國際上首套毫米波非對稱64T16R 全數(shù)字大規(guī)模MIMO 陣列原理樣機(jī)，如圖3 所示。該樣機(jī)常被作為對比目標(biāo)。此外，研究者們還研制了國際上首套毫米波全數(shù)字64T64R 大規(guī)模MIMO 陣列樣機(jī)，如圖4 所示。該樣機(jī)支持20 個(gè)波束/數(shù)據(jù)流，總數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到50 Gbit/s。圖5 展示了支持全數(shù)字多波束陣列的毫米波4通道發(fā)射/接收芯片。相關(guān)研究論文已發(fā)表在《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》《IEEE Journal of Solid-State Circuits 》《中國科學(xué)：信息科學(xué)》等權(quán)威期刊上，其中有2 篇入選ESI 高被引論文，1 篇獲IEEE MTT-S微波獎(jiǎng)。

▲圖3 64T16R非對稱全數(shù)字大規(guī)模多輸入多輸出陣列天線

▲圖5 支持全數(shù)字多波束陣列的毫米波4通道發(fā)射/接收芯片

3 藍(lán)色行者 3商用移動(dòng)通信陣列

美國AST太空藍(lán)色行者 3是部署在近地軌道上的最大商業(yè)通信陣列，旨在通過第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)頻率以5G 速度直接與蜂窩設(shè)備通信。衛(wèi)星陣列天線已經(jīng)于2022年11月14日在太空展開（如圖6所示），面積為64 m2。這一設(shè)計(jì)對于支持天基蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。該衛(wèi)星預(yù)計(jì)在地球表面擁有超過776 996 km2的視野。

▲圖6 太空藍(lán)色行者64 m2陣列天線

4 大規(guī)模分布孔徑深空探測天線

近日，由北京理工大學(xué)牽頭建設(shè)的“中國復(fù)眼”成功開機(jī)觀測。與世界著名的“中國天眼”不同，它的大天線由很多小天線合成，就像昆蟲的眼睛一樣，因此得名“中國復(fù)眼”，意為“中國復(fù)興之眼”。整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)包括3 各階段，其中，第1階段工程建設(shè)已完成（如圖7所示），第2階段工程建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)。建成后“中國復(fù)眼”可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程探測，探測距離可達(dá)1.5億千米。

▲圖7 大規(guī)模分布孔徑深空探測雷達(dá)一期工程天線

5 跨頻段共口徑大規(guī)模天線

華南理工大學(xué)章秀銀教授課題組對跨頻段共口徑大規(guī)模天線陣列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與驗(yàn)證，如圖8所示。在異頻共口徑天線陣列中，不同頻段陣子密集分布導(dǎo)致互耦嚴(yán)重、端口隔離差。此外，處在上方的低頻天線單元會(huì)遮擋下方的高頻天線單元，導(dǎo)致高頻輻射方向圖產(chǎn)生畸變。針對該問題，課題組提出了基于集成濾波天線的隔離度提升技術(shù)，利用集成濾波天線的帶外抑制特性來降低不同頻段的互耦，提高隔離度。此外，課題組還提出了基于空間濾波天線的方向圖畸變改善技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有空間濾波特性的低頻天線，使其下方的高頻天線輻射的電磁波可以透過低頻天線，從而改善高頻天線的輻射方向圖?；跒V波天線技術(shù)設(shè)計(jì)系列多頻共口徑基站陣列天線，實(shí)現(xiàn)了3 GHz/4 GHz/5 GHz 不同頻段天線的一體化集成。

▲圖8 跨頻段共口徑大規(guī)模天線陣列

6 毫米波片上天線測量系統(tǒng)

電科思儀毫米波片上天線測量系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍為8～110 GHz（可擴(kuò)展至500 GHz）。該系統(tǒng)具有頻率覆蓋范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、饋電形式靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、測試參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用通用化、模塊化設(shè)計(jì)思想，以電科思儀高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心，由頻率擴(kuò)展模塊、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、片上天線饋電平臺(tái)、微波暗箱等單元組成，如圖9 所示。該系統(tǒng)具有方向圖、副瓣電平、增益、軸比、駐波等多種參數(shù)測量功能，可用于片上天線、集成天線、封裝天線等非常規(guī)饋電形式的微型天線電性能參數(shù)測試分析。

▲圖9 毫米波片上天線測量系統(tǒng)

7 自動(dòng)化微型相控陣天線測試系統(tǒng)

成都天銳星通科技有限公司自動(dòng)化微型相控陣天線測試系統(tǒng)，頻率覆蓋范圍為10～110 GHz，占地面積不足5 m2，如圖10 所示。系統(tǒng)采用多功能實(shí)時(shí)控制模塊、同步信號(hào)調(diào)理模塊和寬帶雙極化饋源，實(shí)現(xiàn)了0.5 m 口徑相控陣天線的全指標(biāo)一鍵高效測量。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，該系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的基本性能分析以及一致性和相關(guān)性分析。同時(shí)產(chǎn)品配備了自動(dòng)裝卸和進(jìn)出料模塊，自動(dòng)化程度高，易于產(chǎn)線部署，可用于相控陣天線的大規(guī)模生產(chǎn)。

▲圖10 自動(dòng)化微型相控陣天線測試系統(tǒng)

8 大規(guī)模陣列的封裝天線技術(shù)

未來移動(dòng)通信將通過極致連接為人類社會(huì)提供全無線、以人為中心的沉浸式體驗(yàn)，真正開啟智能時(shí)代。華為研究團(tuán)隊(duì)在毫米波70 GHz頻段，成功研制了超低功耗、超高吞吐、超低時(shí)延的短距通信原型樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了超過10 Gbit/s的吞吐率和亞毫秒級的時(shí)延，并實(shí)時(shí)演示了4K虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）業(yè)務(wù)，如圖11 所示。此樣機(jī)具有突出的短距傳輸性能。傳輸速率是通用串行總線（USB）等有線通信方式的數(shù)倍，且整機(jī)功耗低于560 mW。該原型樣機(jī)采用了高效鍺硅大規(guī)模陣列。不規(guī)則陣列天線可封裝在手機(jī)規(guī)格的低溫共燒陶瓷模塊中，使微型的封裝天線也可以應(yīng)用在可穿戴設(shè)備中。

▲圖11 華為70 GHz頻段短距通信原型樣機(jī)與封裝天線

9 近零介電常數(shù)媒質(zhì)構(gòu)造幾何無關(guān)天線

清華大學(xué)電子工程系李越副教授課題組使用近零介電常數(shù)（ENZ）媒質(zhì)構(gòu)造幾何無關(guān)的新型天線，使天線的工作頻率不再與天線的幾何形狀有關(guān)，實(shí)現(xiàn)了天線空間輻射特性和工作頻率的獨(dú)立設(shè)計(jì)，如圖12 所示。該課題組于2022 年6月22 日將相關(guān)成果發(fā)表在《Nature Communications》上[1]。該成果為天線設(shè)計(jì)提供了全新的靈活性，在柔性電子、智能感知與無線通信等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

▲圖12 幾何無關(guān)天線[1]

10 太赫茲16元環(huán)形耦合振蕩器-輻射器陣列

香港城市大學(xué)太赫茲及毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳志豪教授團(tuán)隊(duì)使用65 nm的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）在 0.8 mm2的總面積上實(shí)現(xiàn)了16 元環(huán)形耦合振蕩器-輻射器陣列，如圖13所示。最大輻射功率?2.8 dBm是在472 GHz的條件下測得的。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了目前最高的直流太赫茲轉(zhuǎn)換效率和頻率調(diào)諧范圍分別為0.12%和4.2%。

▲圖13 太赫茲片上天線陣列[2]

11 結(jié)束語

天線作為“器”的發(fā)明與發(fā)展，先后經(jīng)歷了創(chuàng)世紀(jì)階段、大躍進(jìn)階段、添新丁階段。然而，中國在這些階段基本上是缺席者。

在天線作為“術(shù)”與“用”的發(fā)展中，中國后來居上。這可以從中國天線產(chǎn)業(yè)居世界首位、學(xué)界發(fā)表論文全球第一得到佐證。

2022 年度十大天線技術(shù)進(jìn)展中，有九大天線技術(shù)是由中國天線科技工作者完成的。我們不難得出這樣的結(jié)論：天線強(qiáng)則國家強(qiáng)，國家強(qiáng)則天線強(qiáng)！