The Antennas Academy

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2022年度十大天線技術進展

“逐日工程”微波發射天線、接收與整流天線

西安電子科技大學段寶巖院士牽頭研制的全鏈路全系統空間太陽能電站地面驗證系統于2022年6月15日通過驗收。驗證系統主要包括五大子系統：歐米伽聚光與光電轉換、電力傳輸與管理、微波發射天線、接收與整流天線、控制與測量。其工作原理，首先是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，四個聚光系統轉換得到的電能匯聚到中間發射天線，經過振蕩器和放大器等模塊，電能被進一步轉化為微波，利用無線傳輸的形式發射到接收天線。最后，接收天線將微波整流再次轉換成直流電，供給負載。

非對稱全數字大規模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的單天線技術 (即, 單入單出SISO架構), 3G、4G開始采用多天線技術 (即, 多入多出MIMO架構), 而5G 則采用了基于混合多波束有源陣列天線的大規模MIMO技術, 在頻分、時分、碼分的基礎上繼續挖掘空間資源, 以有效提升系統容量。大規模MIMO技術的核心是多波束有源陣列天線, 而大規模全數字多波束陣列天線架構是最佳方案, 但面臨系統復雜度、功耗、成本、海量數據實時處理等一系列瓶頸問題。因此, 在5G中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容量, 同時突破上述瓶頸, 面向6G, 東南大學洪偉教授團隊于2019年提出了“非對稱全數字大規模MIMO陣列天線”的概念, 并獲得國家重點研發計劃項目: “非對稱毫米波亞毫米波大規模MIMO關鍵技術研究及系統驗證” (2020YFB1804900) 的支持。三年來, 在非對稱大規模MIMO陣列系統架構、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, 以及多通道收發芯片和系統實驗驗證等方面取得重要進展。完成了國際上首套毫米波非對稱64T16R全數字大規模MIMO陣列原理樣機, 并作為對比目標, 完成了國際上首套毫米波全數字64T64R大規模MIMO陣列樣機, 支持20個波束/數據流, 總數據吞吐率達到50Gbps。在IEEE T-AP、IEEE T-MTT、IEEE JSSC、《中國科學：信息科學》等權威期刊上發表系列論文中兩篇論文入選ESI高被引論文, 一篇獲IEEE MTT-S Microwave Prize。

圖1. 非對稱全數字大規模MIMO 陣列天線架構

圖2. 64T16R非對稱全數字大規模MIMO陣列天線

圖3. 64T16R非對稱全數字多波束陣列天線原理樣機與動態性能測試

圖4. 支持全數字多波束陣列的毫米波4通道發射/接收芯片

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通信陣列，旨在通過 3GPP 標準頻率以 5G 速度直接與蜂窩設備通信。衛星陣列天線已經于2022年11月14日在太空展開，面積為64 平方米。這一設計特征對于支持天基蜂窩寬帶網絡至關重要。該衛星預計在地球表面擁有超過 776，996平方公里的視野。

大規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。它與世界著名的“中國天眼”不同，由很多小天線合成一個大天線，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”。近日完成是一期工程建設，二期工程建設將于2023年年初動工，整個系統分三期建設完成，建成后可實現超遠程探測，探測距離可達1.5億公里。

跨頻段共口徑大規模天線

華南理工大學章秀銀教授課題組對跨頻段共口徑大規模天線陣列關鍵技術進行了研究與驗證。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對下方的高頻天線單元形成遮擋，導致高頻輻射方向圖畸變。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；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，改善了高頻天線的輻射方向圖。基于濾波天線技術設計了系列多頻共口徑基站陣列天線，實現了3G/4G/5G 不同頻段天線的一體化集成。

毫米波片上天線測量系統

電科思儀毫米波片上天線測量系統頻率范圍覆蓋8GHz～110GHz（可擴展至500GHz），具有頻率覆蓋范圍寬、動態范圍大、饋電形式靈活、結構緊湊、測試參數全面等特點。系統采用通用化、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系統。系統具有方向圖、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、封裝天線等非常規饋電形式的微型天線的電性能參數的測試分析。

自動化微型相控陣天線測試系統

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，頻率覆蓋10-110 GHz，占地面積不足5平方米。系統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，實現了0.5米口徑相控陣天線的全指標一鍵高效測量，再結合大數據分析技術，可快速實現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模生產。

大規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70GHz頻段，成功展示了超低功耗、超高吞吐、超低時延的短距通信原型樣機，實現了超過10Gbps的吞吐率和亞毫秒級的時延，并實時演示了4K VR業務。此樣機展示的極致體驗短距傳輸，其速率數倍于USB等有線通信方式，且整機功耗低于560mW。該原型樣機采用了高效鍺硅大規模陣列，不規則陣列天線可封裝在手機規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。

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副教授李越課題組于2022年6月22日在自然·通訊雜志上發表使用近零介電常數（Epsilon-near-zero,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，實現天線空間輻射特性和工作頻率的獨立設計。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。

太赫茲16元環形耦合振蕩器-輻射器陣列

香港城市大學國家毫米波實驗室陳志豪教授團隊使用 65納米 CMOS 在 0.8 平方毫米的總面積上實現了16元環形耦合振蕩器-輻射器陣列。最大輻射功率 ?2.8dBm 是在 472 GHz 時測得的。這種設計實現了目前最高的直流至太赫茲轉換效率和頻率調諧范圍分別為0.12% 和 4.2%。

審核編輯 ：李倩