2022年度天線技術(shù)進(jìn)展

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2022年度十大天線技術(shù)進(jìn)展

“逐日工程”微波發(fā)射天線、接收與整流天線

西安電子科技大學(xué)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(yàn)證系統(tǒng)于2022年6月15日通過驗(yàn)收。驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉(zhuǎn)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，首先是根據(jù)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(zhuǎn)化為直流電能。隨后，通過電源管理模塊，四個聚光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換得到的電能匯聚到中間發(fā)射天線，經(jīng)過振蕩器和放大器等模塊，電能被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微波，利用無線傳輸?shù)男问桨l(fā)射到接收天線。最后，接收天線將微波整流再次轉(zhuǎn)換成直流電，供給負(fù)載。

非對稱全數(shù)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的單天線技術(shù) (即, 單入單出SISO架構(gòu)), 3G、4G開始采用多天線技術(shù) (即, 多入多出MIMO架構(gòu)), 而5G 則采用了基于混合多波束有源陣列天線的大規(guī)模MIMO技術(shù), 在頻分、時分、碼分的基礎(chǔ)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(shù)的核心是多波束有源陣列天線, 而大規(guī)模全數(shù)字多波束陣列天線架構(gòu)是最佳方案, 但面臨系統(tǒng)復(fù)雜度、功耗、成本、海量數(shù)據(jù)實(shí)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(jìn)一步大幅提升系統(tǒng)容量, 同時突破上述瓶頸, 面向6G, 東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊于2019年提出了“非對稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列天線”的概念, 并獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目: “非對稱毫米波亞毫米波大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)驗(yàn)證” (2020YFB1804900) 的支持。三年來, 在非對稱大規(guī)模MIMO陣列系統(tǒng)架構(gòu)、天線陣列最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、非互易信道特性與建模、陣列通道的校準(zhǔn)與自校準(zhǔn)、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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面取得重要進(jìn)展。完成了國際上首套毫米波非對稱64T16R全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列原理樣機(jī), 并作為對比目標(biāo), 完成了國際上首套毫米波全數(shù)字64T64R大規(guī)模MIMO陣列樣機(jī), 支持20個波束/數(shù)據(jù)流, 總數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到50Gbps。在IEEE T-AP、IEEE T-MTT、IEEE JSSC、《中國科學(xué)：信息科學(xué)》等權(quán)威期刊上發(fā)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(shù)字大規(guī)模MIMO 陣列天線架構(gòu)

圖2. 64T16R非對稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列天線

圖3. 64T16R非對稱全數(shù)字多波束陣列天線原理樣機(jī)與動態(tài)性能測試

圖4. 支持全數(shù)字多波束陣列的毫米波4通道發(fā)射/接收芯片

藍(lán)色行者 3商用移動通信陣列

美國AST 太空藍(lán)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 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)頻率以 5G 速度直接與蜂窩設(shè)備通信。衛(wèi)星陣列天線已經(jīng)于2022年11月14日在太空展開，面積為64 平方米。這一設(shè)計特征對于支持天基蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。該衛(wèi)星預(yù)計在地球表面擁有超過 776，996平方公里的視野。

大規(guī)模分布孔徑深空探測天線

近日，由北京理工大學(xué)牽頭建設(shè)的“中國復(fù)眼”成功開機(jī)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(fù)眼”，意為“中國復(fù)興之眼”。近日完成是一期工程建設(shè)，二期工程建設(shè)將于2023年年初動工，整個系統(tǒng)分三期建設(shè)完成，建成后可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程探測，探測距離可達(dá)1.5億公里。

跨頻段共口徑大規(guī)模天線

華南理工大學(xué)章秀銀教授課題組對跨頻段共口徑大規(guī)模天線陣列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與驗(yàn)證。異頻共口徑天線陣列中不同頻段陣子密集分布導(dǎo)致互耦嚴(yán)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(dǎo)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(shù)，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(shù)，設(shè)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?；跒V波天線技術(shù)設(shè)計了系列多頻共口徑基站陣列天線，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)

電科思儀毫米波片上天線測量系統(tǒng)頻率范圍覆蓋8GHz～110GHz（可擴(kuò)展至500GHz），具有頻率覆蓋范圍寬、動態(tài)范圍大、饋電形式靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、測試參數(shù)全面等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用通用化、模塊化設(shè)計思想，以電科思儀高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心，由頻率擴(kuò)展模塊、高精度轉(zhuǎn)臺、片上天線饋電平臺、微波暗箱等單元組成系統(tǒng)。系統(tǒng)具有方向圖、副瓣電平、增益、軸比、駐波等多種參數(shù)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的電性能參數(shù)的測試分析。

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10-110 GHz，占地面積不足5平方米。系統(tǒng)采用多功能實(shí)時控制模塊、同步信號調(diào)理模塊和寬帶雙極化饋源，實(shí)現(xiàn)了0.5米口徑相控陣天線的全指標(biāo)一鍵高效測量，再結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的基本性能分析以及一致性和相關(guān)性分析。同時產(chǎn)品配備了自動裝卸和進(jìn)出料模塊，自動化程度高、易于產(chǎn)線部署，可用于相控陣天線的大規(guī)模生產(chǎn)。

大規(guī)模陣列的封裝天線技術(shù)

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(yàn)，真正開啟智能時代。華為研究團(tuán)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(jī)，實(shí)現(xiàn)了超過10Gbps的吞吐率和亞毫秒級的時延，并實(shí)時演示了4K VR業(yè)務(wù)。此樣機(jī)展示的極致體驗(yàn)短距傳輸，其速率數(shù)倍于USB等有線通信方式，且整機(jī)功耗低于560mW。該原型樣機(jī)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(jī)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(yīng)用在可穿戴設(shè)備中。

近零介電常數(shù)媒質(zhì)構(gòu)造幾何無關(guān)天線

清華大學(xué)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(fā)表使用近零介電常數(shù)（Epsilon-near-zero,ENZ）媒質(zhì)構(gòu)造幾何無關(guān)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(guān)，實(shí)現(xiàn)天線空間輻射特性和工作頻率的獨(dú)立設(shè)計。該成果為天線設(shè)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(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

太赫茲16元環(huán)形耦合振蕩器-輻射器陣列

香港城市大學(xué)國家毫米波實(shí)驗(yàn)室陳志豪教授團(tuán)隊使用 65納米 CMOS 在 0.8 平方毫米的總面積上實(shí)現(xiàn)了16元環(huán)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(shè)計實(shí)現(xiàn)了目前最高的直流至太赫茲轉(zhuǎn)換效率和頻率調(diào)諧范圍分別為0.12% 和 4.2%。

審核編輯 ：李倩