2024年度天线技术进展

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2024年度十大天线技术进展

毫米波圆极化液晶相控阵

东南大学洪伟、蒋之浩教授研究团队提出了毫米波圆极化液晶相控阵的系统性设计与阵列通道空口校准方法，并完成实验验证。该液晶相控阵采用仅为5 μm厚度的液晶填充，实现了毫秒级响应时间。每个通道包含一个叠层贴片天线作为辐射单元，以及基于慢波差分线结构的传输式液晶移相器，其中，液晶移相器具有超过360°的移相能力和78.3°·dB−1的品质因数。此外，还提出了基于相态遍历法的液晶相控阵通道空口校准方法，可准确提取阵中每个通道的电压相位曲线，为阵列实现精准波束扫描提供了保障。后续还将该技术拓展实现了大规模圆极化液晶相控阵，并与中星16卫星实现互联通信。相关工作于2024年分别发表于中国工程院院刊《Engineering》和《Advanced Materials》。液晶相控阵技术有望为未来通信、雷达和成像等系统提供新的低成本高增益二维波束扫描前端阵列解决方案。

图1 毫米波圆极化液晶相控阵           

混合模波束赋形天线与宽角扫描相控阵

华南理工大学薛泉教授研究团队提出一类基于混合模式的波束赋形天线，该天线通过双端口相位控制，支持定向边射、定向偏转与水平全向等方向图平滑连续切换。该方案利用混合模式与方向图状态的一一映射，在有源反射系数、天线效率、交叉极化比等方面均能保持稳定优异表现。该设计无需使用有源开关即可实现灵活辐射，适合集成到相控阵系统中。在采用一个波长阵元间距的1×8阵列规模下，可实现±75°的覆盖范围，同时保持副瓣低于－11 dB，并且不损失法向最大增益16.7 dBi。此外，其高端口隔离度与出色的保形方向图，还能满足MIMO和全双工应用场景的需求。

图2 混合模波束赋形天线与阵列           

全空间双圆极化能量分配透-反射阵天线

南京大学冯一军教授团队近期提出了一种混合多功能超表面的优化设计方法，并利用其实现了宽带、全空间双圆极化透-反射阵天线。首先，设计了两种基础功能单元，分别用于操纵全空间左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）电磁波相位。每种单元均具备两个旋转自由度，以实现透、反射相位的解耦与独立调制。在此基础上，将两种功能单元混合排布构建多功能超表面，并通过遗传算法优化排布方式，实现了四个波束的独立控制以及副瓣抑制。此外，与传统拼接式及交错式多功能超表面设计方法相比，混合式超表面可以任意设计两种功能单元的构成比例，从而实现全空间左、右旋波束的能量按需分配。最终，透-反射阵天线在透射和反射空间均实现了独立的双圆极化高增益波束覆盖，且四个波束具有不同的偏转角度。实验测试结果验证了能量分配功能，所实现的透、反射双圆极化波束均具备显著的宽带特性，其3-dB增益带宽分别大于30.7%（透射）和44.1%（反射），同时波束的轴比在带宽范围内始终被抑制在3 dB以下。得益于上述优良性能，所提出的全空间双圆极化透-反射阵天线有效提升了天线器件的口径利用率以及空间覆盖率，因此展现出在卫星通信等高集成度、紧凑型通信系统中的广阔应用前景。    

图3 全空间双圆极化透-反射阵天线           

小型化层叠谐振天线与相控阵

层叠谐振天线具有宽带和高增益的优良特性，主要面向毫米波相控阵阵列应用。如何减小腔体尺寸、降低阵元间耦合是亟需突破的设计难题。为此，射频异质异构集成全国重点实验室（上海交通大学）唐旻教授课题组提出在腔体内加载周期性慢波结构的创新方法，单天线体积缩减了 69%，横向尺寸缩减至0.36λ，在此基础上设计了一款60 GHz的4通道层叠谐振天线相控阵阵列，扫描角达到43°。此外，通过增加腔内解耦路径，设计了紧密排列的宽带低耦合层叠谐振天线阵列，实测阻抗带宽和去耦带宽均大于12%，带内耦合小于－25dB。上述成果显著推进了层叠谐振天线在小型化系统中的集成应用。    

图4 小型化层叠谐振天线与相控阵            

超维度天线

中国信息通信科技集团有限公司无线移动通信全国重点实验室陈山枝博士团队提出了多天线向空间维度、智能维度、功能维度、能效维度扩展的超维度天线新概念。基于超维度天线新概念开发的全场景天馈方案，旨在解决关键场景和业务热点的高品质网络需求，同时满足运营商节电降本、灵活高效的建设需求。此外，中国信息通信科技集团推出的4.9-GHz和毫米波通感一体产品，以极简部署的方式实现通信及高精感知功能，为低空经济发展提供新动能。    

星载毫米波封装天线

银河航天公司已完成国内首批星载毫米波AiP（Antenna-in-Package）多波束相控阵天线的批量研制。随着多波束相控阵天线成本大幅降低、研制周期缩短，高性能卫星产能将得到保证，有利于推动我国低轨卫星互联网星座的快速建设与部署，加速支持手机直连卫星等低轨宽带卫星互联网的通信需求。AiP是一种基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内，实现系统级无线功能的技术。该技术使天线具备低传输损耗、高辐射效率、高集成度等特点，通过模块化、规模化降低成本，兼顾天线性能、成本及体积。毫米波AiP多波束相控阵天线采用非规则的螺旋线式阵列排布，与规则排布天线相比，辐射空间更广、功率转换效率更高，可以在更宽频带工作，为未来低轨宽带全覆盖提供条件。    

小折叠手机天线

小折叠产品合盖后金属边框天线性能恶化是行业一大难题。合盖后天线与对侧金属紧密接触会严重影响天线性能，这是由于合盖后天线净空恶化以及对侧金属上产生多余谐振造成的。因此目前市面上基本很难发现有小折叠手机支持合盖通话功能。小米集团首席天线专家魏鲲鹏团队通过采用滤波器设计中的交叉耦合理论：交叉耦合在滤波器的主通道之外产生了另外的通道，另外通道的信号与通过主通道的信号在幅度上相等、相位上相反，从而在带外产生传输零点。引入到天线设计中，可以考虑利用其他耦合路径上的电流通道来实现对主辐射枝节的性能提升。在小米首款小折叠屏手机上采用了交叉耦合理论，合盖后复用对侧金属辐射体，通过电场耦合来提升合盖后的天线性能。合盖后通过重构对侧金属辐射体来产生另外一个谐振，通过交叉耦合来提升天线辐射效率及带宽。      

玻璃天线

日本AGC和 NTT DOCOMO公司合作推出的新型玻璃天线已由日本的JTower通信基础设施公司部署在东京新宿区的5G移动通信网络中。这是世界上第一个将窗户变成基站的天线，可以连接到建筑物内部的窗户，并将室外变成服务区，而不会破坏城市景观或建筑物的外观。该天线使用透明导电材料作为天线的基础，将导电材料与透明树脂（层压挡风玻璃中使用的那种树脂）夹在两片玻璃之间。通过在玻璃之间放置导电材料，天线的耐用性显著提高。

图5 新型玻璃天线      

变形天线    

美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员使用一种名为镍钛诺的形状记忆合金研制出一种变形天线。它可以在低温下变形，但在加热时会恢复到初始形状。研究人员表明形天线能够在几秒钟内从扁平螺旋形转变为锥形。通过在两者之间切换，天线能够在 2-12 GHz 范围内工作。实测表明天线在 4 GHz 至 11 GHz频率范围内增益约为 5 dBi。扁平配置在较低频率下工作得更好，锥体配置在较高频率下工作得更好。

图6 变形天线示意图           

有机电散射天线

在生物传感中，以高记录位点密度和微米空间分辨率监测液体中的电势至关重要。有机电子材料因其独特的材料特性而推动了该领域的显着进步，但空间分辨率和记录密度仍然存在限制。为了克服上述限制，美国麻省理工学院研究人员开发出了有机电散射天线 ，用于以微米级空间分辨率对数千个站点电信号进行无线、基于光的探测。有机电散射天线表现出毫秒级的时间常数和卓越的长期稳定性，能够连续记录超过 10 小时。通过提供 5 μm 的空间分辨率和 每平方厘米4百万的记录密度，有机电散射天线有望加速电散射天线在基础和临床方面的研究。    

图7 有机电散射天线示意图