2022年度天线技术进展

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2022年度十大天线技术进展

“逐日工程”微波发射天线、接收与整流天线

西安电子科技大学段宝岩院士牵头研制的全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统于2022年6月15日通过验收。验证系统主要包括五大子系统：欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、微波发射天线、接收与整流天线、控制与测量。其工作原理，首先是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度，在接收到聚光镜反射的太阳光后，位于聚光镜中心的光伏电池阵，将其转化为直流电能。随后，通过电源管理模块，四个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线，经过振荡器和放大器等模块，电能被进一步转化为微波，利用无线传输的形式发射到接收天线。最后，接收天线将微波整流再次转换成直流电，供给负载。

非对称全数字大规模MIMO有源阵列天线

众所周知, 1G、2G移动通信基站采用的是扇形波束的单天线技术 (即, 单入单出SISO架构), 3G、4G开始采用多天线技术 (即, 多入多出MIMO架构), 而5G 则采用了基于混合多波束有源阵列天线的大规模MIMO技术, 在频分、时分、码分的基础上继续挖掘空间资源, 以有效提升系统容量。大规模MIMO技术的核心是多波束有源阵列天线, 而大规模全数字多波束阵列天线架构是最佳方案, 但面临系统复杂度、功耗、成本、海量数据实时处理等一系列瓶颈问题。因此, 在5G中退而求其次采用了基于相控子阵的混合多波束方案。为了进一步大幅提升系统容量, 同时突破上述瓶颈, 面向6G, 东南大学洪伟教授团队于2019年提出了“非对称全数字大规模MIMO阵列天线”的概念, 并获得国家重点研发计划项目: “非对称毫米波亚毫米波大规模MIMO关键技术研究及系统验证” (2020YFB1804900) 的支持。三年来, 在非对称大规模MIMO阵列系统架构、天线阵列最佳拓扑结构、非互易信道特性与建模、阵列通道的校准与自校准、通道非线性行为建模与线性化, 以及多通道收发芯片和系统实验验证等方面取得重要进展。完成了国际上首套毫米波非对称64T16R全数字大规模MIMO阵列原理样机, 并作为对比目标, 完成了国际上首套毫米波全数字64T64R大规模MIMO阵列样机, 支持20个波束/数据流, 总数据吞吐率达到50Gbps。在IEEE T-AP、IEEE T-MTT、IEEE JSSC、《中国科学：信息科学》等权威期刊上发表系列论文中两篇论文入选ESI高被引论文, 一篇获IEEE MTT-S Microwave Prize。

图1. 非对称全数字大规模MIMO 阵列天线架构

图2. 64T16R非对称全数字大规模MIMO阵列天线

图3. 64T16R非对称全数字多波束阵列天线原理样机与动态性能测试

图4. 支持全数字多波束阵列的毫米波4通道发射/接收芯片

蓝色行者 3商用移动通信阵列

美国AST 太空蓝色行者 3是部署在近地轨道上的最大商业通信阵列，旨在通过 3GPP 标准频率以 5G 速度直接与蜂窝设备通信。卫星阵列天线已经于2022年11月14日在太空展开，面积为64 平方米。这一设计特征对于支持天基蜂窝宽带网络至关重要。该卫星预计在地球表面拥有超过 776，996平方公里的视野。

大规模分布孔径深空探测天线

近日，由北京理工大学牵头建设的“中国复眼”成功开机观测。它与世界著名的“中国天眼”不同，由很多小天线合成一个大天线，就像昆虫的眼睛一样，因此得名“中国复眼”，意为“中国复兴之眼”。近日完成是一期工程建设，二期工程建设将于2023年年初动工，整个系统分三期建设完成，建成后可实现超远程探测，探测距离可达1.5亿公里。

跨频段共口径大规模天线

华南理工大学章秀银教授课题组对跨频段共口径大规模天线阵列关键技术进行了研究与验证。异频共口径天线阵列中不同频段阵子密集分布导致互耦严重，端口隔离差。此外，处在上方的低频天线单元对下方的高频天线单元形成遮挡，导致高频辐射方向图畸变。针对该问题，课题组提出了基于集成滤波天线的隔离度提升技术，利用集成滤波天线的带外抑制特性来降低不同频段的互耦，提高隔离度；提出了基于空间滤波天线的方向图畸变改善技术，设计了具有空间滤波特性的低频天线，使其下方的高频天线辐射的电磁波可以透过低频天线，改善了高频天线的辐射方向图。基于滤波天线技术设计了系列多频共口径基站阵列天线，实现了3G/4G/5G 不同频段天线的一体化集成。

毫米波片上天线测量系统

电科思仪毫米波片上天线测量系统频率范围覆盖8GHz～110GHz（可扩展至500GHz），具有频率覆盖范围宽、动态范围大、馈电形式灵活、结构紧凑、测试参数全面等特点。系统采用通用化、模块化设计思想，以电科思仪高性能矢量网络分析仪为核心，由频率扩展模块、高精度转台、片上天线馈电平台、微波暗箱等单元组成系统。系统具有方向图、副瓣电平、增益、轴比、驻波等多种参数测量功能，可用于片上天线、集成天线、封装天线等非常规馈电形式的微型天线的电性能参数的测试分析。

自动化微型相控阵天线测试系统

成都天锐星通科技有限公司自动化微型相控阵天线测试系统，频率覆盖10-110 GHz，占地面积不足5平方米。系统采用多功能实时控制模块、同步信号调理模块和宽带双极化馈源，实现了0.5米口径相控阵天线的全指标一键高效测量，再结合大数据分析技术，可快速实现产品的基本性能分析以及一致性和相关性分析。同时产品配备了自动装卸和进出料模块，自动化程度高、易于产线部署，可用于相控阵天线的大规模生产。

大规模阵列的封装天线技术

未来移动通信将通过极致连接为人类社会提供全无线、以人为中心的沉浸式体验，真正开启智能时代。华为研究团队在毫米波70GHz频段，成功展示了超低功耗、超高吞吐、超低时延的短距通信原型样机，实现了超过10Gbps的吞吐率和亚毫秒级的时延，并实时演示了4K VR业务。此样机展示的极致体验短距传输，其速率数倍于USB等有线通信方式，且整机功耗低于560mW。该原型样机采用了高效锗硅大规模阵列，不规则阵列天线可封装在手机规格的低温共烧陶瓷模块中，使微型的封装天线也可以应用在可穿戴设备中。

近零介电常数媒质构造几何无关天线

清华大学电子工程系副教授李越课题组于2022年6月22日在自然·通讯杂志上发表使用近零介电常数（Epsilon-near-zero,ENZ）媒质构造几何无关的新型天线，使天线的工作频率不再与天线的几何形状有关，实现天线空间辐射特性和工作频率的独立设计。该成果为天线设计提供了全新的灵活性，在柔性电子、智能感知与无线通信等领域具有潜在应用价值。

太赫兹16元环形耦合振荡器-辐射器阵列

香港城市大学国家毫米波实验室陈志豪教授团队使用 65纳米 CMOS 在 0.8 平方毫米的总面积上实现了16元环形耦合振荡器-辐射器阵列。最大辐射功率 −2.8dBm 是在 472 GHz 时测得的。这种设计实现了目前最高的直流至太赫兹转换效率和频率调谐范围分别为0.12% 和 4.2%。

审核编辑 ：李倩