張躍平/ZHANG Yueping

（南洋理工大學，新加坡 639798）

天線隨處可見，與人們的生活息息相關。它鑲嵌在手機內，提供全新的、高品質用戶體驗；它安裝在汽車上，為安全保駕護航。

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

天線的應用層出不窮。新應用、新需求為天線研發(fā)者帶來新的挑戰(zhàn)。每當挑戰(zhàn)得到克服，天線技術就會取得進步。

基于公開發(fā)表的信息，在廣泛征集中國天線產學研界多位專家的意見后，本文整理出2022年度十大天線技術進展，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證系統(tǒng)，于2022 年6 月15 日通過驗收，如圖1所示。該驗證系統(tǒng)主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉換、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，將其轉化為直流電能。隨后，通過電源管理模塊，4個聚光系統(tǒng)轉換得到的電能匯聚到中間發(fā)射天線。經過振蕩器和放大器等模塊，電能被進一步轉化為微波。微波以無線傳輸的形式被發(fā)射到接收天線。最后，接收天線將微波整流，再次轉換成直流電，供給負載。

▲圖1“逐日工程”地面驗證系統(tǒng)

2 非對稱全數字大規(guī)模MIMO有源陣列天線

眾所周知，1G、2G 移動通信基站采用的是扇形波束單天線技術，即單輸入單輸出（SISO）架構。3G、4G 開始采用多天線技術，即多輸入多輸出（MIMO）架構。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，在頻分、時分、碼分的基礎上繼續(xù)挖掘空間資源，以有效提升系統(tǒng)容量。大規(guī)模MIMO 技術的核心是多波束有源陣列天線。大規(guī)模全數字多波束陣列天線架構是最佳方案，但面臨系統(tǒng)復雜度、功耗、成本、海量數據實時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。為了進一步大幅提升系統(tǒng)容量，同時解決上述瓶頸問題，面向6G，東南大學洪偉教授團隊于2019 年提出了“非對稱全數字大規(guī)模MIMO 陣列天線”的概念，并獲得國家重點研發(fā)計劃項目 “非對稱毫米波亞毫米波大規(guī)模MIMO關鍵技術研究及系統(tǒng)驗證”（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、天線陣列最佳拓撲結構、非互易信道特性與建模、陣列通道的校準與自校準、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)實驗驗證等均取得重要進展。研究者們研制了國際上首套毫米波非對稱64T16R 全數字大規(guī)模MIMO 陣列原理樣機，如圖3 所示。該樣機常被作為對比目標。此外，研究者們還研制了國際上首套毫米波全數字64T64R 大規(guī)模MIMO 陣列樣機，如圖4 所示。該樣機支持20 個波束/數據流，總數據吞吐率達到50 Gbit/s。圖5 展示了支持全數字多波束陣列的毫米波4通道發(fā)射/接收芯片。相關研究論文已發(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：信息科學》等權威期刊上，其中有2 篇入選ESI 高被引論文，1 篇獲IEEE MTT-S微波獎。

▲圖3 64T16R非對稱全數字大規(guī)模多輸入多輸出陣列天線

▲圖5 支持全數字多波束陣列的毫米波4通道發(fā)射/接收芯片

3 藍色行者 3商用移動通信陣列

美國AST太空藍色行者 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代合作伙伴計劃（3GPP）標準頻率以5G 速度直接與蜂窩設備通信。衛(wèi)星陣列天線已經于2022年11月14日在太空展開（如圖6所示），面積為64 m2。這一設計對于支持天基蜂窩寬帶網絡至關重要。該衛(wèi)星預計在地球表面擁有超過776 996 km2的視野。

▲圖6 太空藍色行者64 m2陣列天線

4 大規(guī)模分布孔徑深空探測天線

近日，由北京理工大學牽頭建設的“中國復眼”成功開機觀測。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“中國復眼”，意為“中國復興之眼”。整個系統(tǒng)的建設包括3 各階段，其中，第1階段工程建設已完成（如圖7所示），第2階段工程建設已經啟動。建成后“中國復眼”可實現(xiàn)超遠程探測，探測距離可達1.5億千米。

▲圖7 大規(guī)模分布孔徑深空探測雷達一期工程天線

5 跨頻段共口徑大規(guī)模天線

華南理工大學章秀銀教授課題組對跨頻段共口徑大規(guī)模天線陣列關鍵技術進行了研究與驗證，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致互耦嚴重、端口隔離差。此外，處在上方的低頻天線單元會遮擋下方的高頻天線單元，導致高頻輻射方向圖產生畸變。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，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，設計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波天線技術設計系列多頻共口徑基站陣列天線，實現(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（可擴展至500 GHz）。該系統(tǒng)具有頻率覆蓋范圍寬、動態(tài)范圍大、饋電形式靈活、結構緊湊、測試參數全面等優(yōu)點。系統(tǒng)采用通用化、模塊化設計思想，以電科思儀高性能矢量網絡分析儀為核心，由頻率擴展模塊、高精度轉臺、片上天線饋電平臺、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測試分析。

▲圖9 毫米波片上天線測量系統(tǒng)

7 自動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)采用多功能實時控制模塊、同步信號調理模塊和寬帶雙極化饋源，實現(xiàn)了0.5 m 口徑相控陣天線的全指標一鍵高效測量。結合大數據分析技術，該系統(tǒng)可快速實現(xiàn)產品的基本性能分析以及一致性和相關性分析。同時產品配備了自動裝卸和進出料模塊，自動化程度高，易于產線部署，可用于相控陣天線的大規(guī)模生產。

▲圖10 自動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

未來移動通信將通過極致連接為人類社會提供全無線、以人為中心的沉浸式體驗，真正開啟智能時代。華為研究團隊在毫米波70 GHz頻段，成功研制了超低功耗、超高吞吐、超低時延的短距通信原型樣機，實現(xiàn)了超過10 Gbit/s的吞吐率和亞毫秒級的時延，并實時演示了4K虛擬現(xiàn)實（VR）業(yè)務，如圖11 所示。此樣機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倍，且整機功耗低于560 mW。該原型樣機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用在可穿戴設備中。

▲圖11 華為70 GHz頻段短距通信原型樣機與封裝天線

9 近零介電常數媒質構造幾何無關天線

清華大學電子工程系李越副教授課題組使用近零介電常數（ENZ）媒質構造幾何無關的新型天線，使天線的工作頻率不再與天線的幾何形狀有關，實現(xiàn)了天線空間輻射特性和工作頻率的獨立設計，如圖12 所示。該課題組于2022 年6月22 日將相關成果發(fā)表在《Nature Communications》上[1]。該成果為天線設計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域具有潛在應用價值。

▲圖12 幾何無關天線[1]

10 太赫茲16元環(huán)形耦合振蕩器-輻射器陣列

香港城市大學太赫茲及毫米波國家重點實驗室陳志豪教授團隊使用65 nm的互補金屬氧化物半導體（CMOS）在 0.8 mm2的總面積上實現(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。這種設計實現(xiàn)了目前最高的直流太赫茲轉換效率和頻率調諧范圍分別為0.12%和4.2%。

▲圖13 太赫茲片上天線陣列[2]

11 結束語

天線作為“器”的發(fā)明與發(fā)展，先后經歷了創(chuàng)世紀階段、大躍進階段、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”與“用”的發(fā)展中，中國后來居上。這可以從中國天線產業(yè)居世界首位、學界發(fā)表論文全球第一得到佐證。

2022 年度十大天線技術進展中，有九大天線技術是由中國天線科技工作者完成的。我們不難得出這樣的結論：天線強則國家強，國家強則天線強！