2023年度天线技术进展

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2023年度十大天线技术进展

微凸天线

微凸天线是一个具备全新结构与工作机理的基本天线体系。微凸天线的发明标志着印刷和集成天线结构设计从二维平面向三维立体的范式转变。微凸天线的发明首次非常有效地解决了极薄基片微带天线辐射效率极低的问题。以工作在腔模（TM₀₁）与球模（TM₁₀）微凸天线为例，研究发现它的辐射效率与工作在腔模（TM₀₁）的微带天线辐射效率相比提高了数倍。采用芯片封装材料（介电常数 = 4.4，介电损耗角正切 = 0.02， 微带与地及凸点的电导率 = 5.8 × 10⁷ S/m）与工艺，在厚度（0.008λ）基片上加工的微带天线辐射效率实测值是10.9%，微凸天线辐射效率实测值是49.5%，微凸天线的辐射效率是微带天线辐射效率的4.5倍。采用芯片集成材料（介电常数 = 4.1，介电损耗角正切 = 0.0001，微带与地的电导率 = 2.3 × 10⁶ S/m，凸点的电导率 = 1.0 × 10⁶ S/m）与工艺，在厚度（0.008λ）基片上加工的的微带天线辐射效率理论与仿真值分别是35.12%及38.72%，微凸天线辐射效率理论与仿真值分别是85%及85.6%，微凸天线的辐射效率至少是微带天线辐射效率的2.2倍。微凸天线辐射效率高的主要原因，一是有效地降低了金属损耗，二是除了腔模与球模各自辐射以外，二模协同辐射也起到了非常重要的作用。图1是 太赫兹片上微凸天线显微照片。

   

图1 太赫兹片上微凸天线显微照片

（芯片尺寸2 x 2 平方毫米）

柔性天线

南京邮电大学科学家使用具有高电导率、轻质柔性、易加工等特性的碳化钛材料替代传统金属，并首次提出了“分子胶水”界面改性工艺和先进挤压印刷技术相结合的策略，构建了柔性超宽带碳化钛单极子天线，实现了在弯曲状态下流畅实时的无线通信传输。相关论文“2D Titanium carbide printed flexible ultrawideband monopole antenna for wireless communications”于2023年1月17日发表于国际学术期刊《自然·通讯》并被推荐为“设备”领域亮点研究。图2是柔性天线实物照片。

图2 柔性天线实物照片               

灵犀天线

心有灵犀一点通，华为首创内置式宽波束天线技术和多天线聚合增强技术，实现了36000公里的高轨道卫星通信，无地面网络仍可拨打及接听卫星电话，还可自由编辑卫星消息。图3示意全球首款支持卫星通话的大众智能手机，纵横山海，畅联九霄。

图3  内置灵犀天线的智能手机与卫星通信示意图

屏上天线

维信诺（Visionox）业界领先的双频双极化5G 毫米波屏上天线（Antenna-on-Display, AoD）技术将毫米波天线阵列集成内嵌入OLED 显示屏，且有效克服了与光学及触控兼容的挑战。维信诺的AoD 天线阵列可覆盖5G 毫米波n260与n261 频段，实测的阵列增益接近9 dBi ，扫描角优于±45 度。同时，维信诺利用柔性AMOLED 的易弯折优势，将AoD 阵列布设于显示屏侧边，可更好地避免在竖屏、横屏或平置的场景下，因握持、人体或桌体对无线信号的遮挡。维信诺的AoD 设计于2023年美国洛杉矶举行的第61 届全球年度显示领域顶级会议SID（Society for Information Display）及其相应的国际显示周（SID Display Week）中展出，并获大会最佳新显示组件人气奖（People’s Choice Award for the Best New Display Component）。维信诺的AoD 设计也获得2023年度中国显示创新大会（Display Innovation China, DIC）显示器件创新银奖。图4是维信诺配置AoD 的屏体照片。    

图4 维信诺配置AoD 的屏体照片    

纯金属高增益发射阵列天线

东南大学和南京航空航天大学科学家使用紫外光刻技术与微电铸技术相结合的工艺成功开发出纯金属结构高增益太赫兹透射阵列天线。实测表明增益在0.91 THz 达到峰值36.47 dBi，孔径效率为25.96%，3dB 增益带宽为 0.79–1.03 THz (26.67%)。图5是该阵列天线照片及扫描电子显微镜图像。

图5 纯金属结构高增益THz透射阵列天线照片及扫描电子显微镜图像

通用超表面天线

香港城市大学与东南大学科学家合作研发出通用超表面天线，可个别或同时调控电磁幅射的波幅、相位、频率、极化及方向。相关论文“A universal metasurface antenna to manipulate all fundamental characteristics of electromagnetic waves”于2023年8月24日发表于国际学术期刊《自然·通讯》。图6是通用超表面天线实物照片。通用超表面天线预期将在第六代(6G)无线通信系统中得到应用。

图6 通用超表面天线实物照片

银河航天星载相控阵天线

2023年7月23日银河航天灵犀03星在太原卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。银河航天在灵犀03星上成功实现了终端到终端低轨卫星通信测试。灵犀03星数字载荷中的相控阵天线，采用了新型螺旋线式阵列排布技术和混合波束成形天线架构，相比于传统的排布方式，生成的多波束能量更集中，信号干扰更小，集成度更高，体积更小巧。后续，银河航天将进一步在轨验证下一代低轨宽带卫星通信技术，包括星上交换、信令波束等，不断探索通信卫星应用新模式，为我国卫星互联网建设提供技术支撑。图7是银河航天可堆叠平板卫星示意图。

图7 银河航天可堆叠平板卫星示意图

中国之眸

2023年9月20日，中国参与研制的国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜（SKA）进入建设阶段以来建成的首台中频天线，在中国电科网络通信研究院测试现场正式吊装，不久后将运往位于南非的目的地。之后，中国电科将陆续完成SKA建设阶段首批64台中频天线的生产。中频天线结构是SKA中频阵列的核心设施。首台中频天线的研制成功，标志着SKA中频天线结构已经基本达到技术就绪和批量生产状态，正式进入建设阶段。图8是国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜首台中频天线吊装照片。

图8 国际大科学工程平方公里阵列射电望远镜首台中频天线吊装照片

千眼天珠

2023年9月27日，圆环阵太阳射电成像望远镜顺利通过工艺测试。圆环阵位于海拔3820米的四川省稻城县噶通镇，占地面积约1平方公里，由313部直径6米的抛物面天线构成，被誉为“千眼天珠”，是目前已建成的全球规模最大的综合孔径射电望远镜，主要对太阳和日地空间传播链条进行高质量监测。图9是圆环阵太阳射电成像望远镜照片。

图9 圆环阵太阳射电成像望远镜照片    

媲美“天眼”的 110 米大口径天线

中国电科39所创新性地提出基于主副伺协同控制的大口径天线高精度控制技术，实现天线几何中馈源、主反射面、副反射面的最佳匹配。同时，通过运用全数字信号，提高伺服控制精度和反应速度，降低系统观测噪声，确保射电望远镜“看”到更远、更清晰的宇宙，为高质量建设中国科学院新疆天文台110米口径全向可动射电望远镜奠定坚实基础。图6是新疆奇台110米口径全向可动射电望远镜效果图。

图10 新疆奇台110米口径全向可动射电望远镜效果图