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6G新天线技术 WHITE PAPER V7.0 E 2020.11 Novel Antenna Technologies towards 6G 1 / 30 6G新 天线技术 Novel Antenna Technologies towards 6G 2020 Novel Antenna Technologies towards 6G 2 / 30 摘 要 为了支持 6G更高频段、更大带宽的传输，实现超高传输速率，业界普遍预计 6Gs 射频与天线系统将引入更高频点、更小体积、更大规模、及更加灵活与可重构等特 征。为了适应这一技术趋势的发展，本白皮书针对 6G潜在的新天线技术，从标准演 进需求、毫米波与太赫兹天线、智能反射表面、液体与透镜天线等角度，阐述了面 向 6G新应用与使能技术的天线发展路线图，总结了 6G天线技术研究的主要现状 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 3 / 30 Executive Summary In order to support the transmission of the sixth generation mobile communications system (6G) in higher frequency band and wider bandwidth, and to realize ultra-high transmission rate, it is generally expected that 6G will introduce novel RF and antenna technologies with features of higher frequency point, small size larger scale, more flexiblility and reconfigurability. In order to meet the development requirement of this technology trend, this white paper describes the development roadmap of 6G antenna technologies for new applications and enabling technologies from the perspectives of standard evolution requirements, millimeter wave and terahertz antenna, smart reflective surface, liquid and lens antenna, and summarizes the main status of 6G antenna technology research. Novel Antenna Technologies towards 6G 4 / 30 目 录 摘 要 . 2 Executive Summary . 3 1 产业界对 6G新天线技术的需求与考虑 . 5 2 终端天线 . 6 2.1 非毫米波手机天线 . 6 2.2 毫米波手机天线 . 7 3 基站天线 . 12 4 毫米波天线阵 . 14 5 THz天线 . 17 6 龙伯透镜天线 . 19 7 智能反射面 . 21 8 轨道角动量天线阵 . 23 9 液体天线 . 25 10 参考文献 . 27 致谢 . 30 Novel Antenna Technologies towards 6G 5 / 30 1 产业界对 6G 新天线技术的需求与考虑 随着 6G技术研究的不断深入，一些新的技术，比如太赫兹技术、智能超表面技术等已逐渐 成为业界关注的热点，且业界对将上述技术应用到 6G移动系统有较高的期望，但这些新技术与 当前一代无线移动通信系统使用的技术还存在一定的差别，这也为后续 6G新天线的设计带来 了较大的挑战 。 从支撑 6G移动通信技术角度来说，为了支持 6G移动通信系统更高的数据传输速率以及网 络智能化等需求， 6G天线预计需要具备更高的能力，比如在支持传统 MIMO技术的同时，能够 支持更宽的频段、同时加入感知通信、数字波束控制、 AI赋能等能力，以便能够更好的满足未 来 6G技 术更大容量数据传输、更加智能化通信的需求 。 从产业化角度来说，我们认为 6G新天线最终在技术商用前需要具备体积小、重量轻、低成 本、低功耗、架构灵活等特点，同时希望能实现关键芯片 /器件的国产化，以便最大限度降低对 国外产品依赖。但对于国内的 6G新天线技术来说，尤其是以太赫兹超高频天线技术，目前还普 遍存在关键器件国产化程度低、成本高、功耗大、产业成熟度低等系列问题，目前的设计方案 还无法集成到基站或终端设备中，距离产业化也还具有很大的差距 。 为了解决上述问题，我们认为 6G新天线技术还需要同时结合 6G移动通信技术需求和 未来 产业化的需求，业界联合进行更多的研究和探索工作。对于现阶段的工作，希望各界在研究新 天线技术原理的同时，能够搭建原理验证平台来对相关的 6G新天线技术研究成果进行测试和 验证工作，同时也希望各界能够建立有效的信息分享和沟通渠道，比如通过 FuTURE论坛技术 来分享 6G新天线技术测试验证的结果，以便业界能形成合力、加快 6G新天线技术研究和产业 化的进程 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 6 / 30 2 终端天线 手机 是 现今最广为熟知与使用，且内部系统环境高度复杂的无线手持移动终端产品，故本 章以手机作为无线移动终端的代表，进行其天线方案及设计的探讨。而 5G频段可分为非毫米波 段与毫米波段，根据 3GPP目前的 定义，非毫米波段（又称 为 FR1）的频率范围为 410 MHz7.125 GHz; 而毫米波段（又称 为 FR2）的频率范围为 24.25 GHz52.60 GHz， 因上述两波段的频率（亦 即对应的波长）差距甚大，故其电磁行为差异甚为明显，因而对应 此两波 段的天线方案、设计， 与性能要求也截然不同，且两波段的应用场景亦有明显区别（如在 5G增强型移动宽带（ enhanced mobile broadband, eMBB）场景下，非毫米波为连续广域覆盖的子场景应用，而毫米波则 为热 点高容量的子场景应用，此两场景基本为择优互补的理念），故此章 分别从 非毫米波与毫米波 此 两 波 段的视角进行对应的手机天线设计分析 。 2.1 非毫米波手机天线 在非毫米波段， 多输入与多输出 ，即 MIMO（与其衍生的 massive MIMO） 的技术，因可提 高系统的信道容量和 数据传输速度 ， 故已成为 移动通信的关键技术 ， 为了支持更多信道的 MIMO，手机故需配置更多数量的天线。随着系统的演进，天线除在数量上的增加外，其所需 覆盖的通信频段也更加丰富，如相较于广为常用的 4G LTE频段，目前商用主流的 5G非毫米波 频段便扩增了 n77（ 3.34.2 GHz，其 内含 3.33.8 GHz的 n78）与 n79（ 4.45.0 GHz） 等频段。而 对非毫米波段而言， 4G LTE与 5G手机的 天线设计 上 并无本质的差异， 非毫米波段的 5G手机天 线设计 主要的 关注点基本上 是 众多 天线间 电磁解 耦（ decoupling） 的处理。 基于 上述背景， 手机 MIMO多天线（包含单频、宽频，与 多频） 的 设计，如： 8 8、 10 10，或 12 12 等，皆已见于文献 13， 且 目前已商用的 5G非毫米波手机，亦 是 采用多天线 （且解耦）的 设计，以支 持更多 5G频段 与更多信道的 MIMO需求。 5G非毫米波频段的天线与 4G频段天线既可单独分别设计，亦可集成设计。除自身天线相关性能外，尚需考虑板端射频通 路（如： 频率选择 器件的有无与其对应的损耗）的性能估算，以获得总体链路架构的性能最优。 此外， 5G手机内的天线数目相较 4G手机明 显增多 ，故如何 布局 以使天线在该环境下的自 由空间性能较优外，在各主要使用场景下（左 /右单手竖屏握持、双手竖屏握持、双手顺 /逆时 针横屏握持、单手竖屏贴头通话握持、手机平置背贴金属桌等）亦不会同时被用户身体或金属 Novel Antenna Technologies towards 6G 7 / 30 遮挡以致天线性能大幅 恶 化 ，且 天线与系统间电磁兼容（ EMC，含 EMI与 EMS）的风险或影响 可控 ，及 各天线同时 工作于发射模式 时人体吸收辐射能量的程度（ specific absorption rate, SAR） 可接受。电磁解耦 （主要关联天线 与 射频电路 性能层级）、链路架构（主要关联总体无线性能 层级），与 天线布局 （主要关联用户场景 与人体安规层级）是 5G乃至未来通信时代（如： 6G） 非毫米波 或非太赫兹波段 手机天线设计的主要 重 点 。 (a) (b) (c) 图 2-1 手机非毫米波 MIMO天线： (a) 8 8 MIMO天线 (3.35.0 GHz) 1, (b) 10 10 MIMO天 线 (3.43.8 GHz) 2； (c) 12 12 MIMO天线 (3.43.6 GHz) 3 2.2 毫米波手机天线 2.2.1 设计需求 峰值 增益 ： 毫米波相较 已 用于移动通信的的分米波与厘米波有更大的电磁传播损耗， 且遮挡（ blockage） 效应 更为 明显， 而 在较易于平面化 、 易于快速波束变换 ，且技术较为成熟 的考量 下 ，相控阵列天线（ phased array antenna）便常被采用 作为 毫米波段的天线 方案 ，尤其 是对手持移动终端（如手机）而言，以提升天线的增益 来增强 无线通讯 的 覆盖距离 。同时 ， 由 于定向波束增益的提升， 对 比 于相同 （或相近） 条件下的全向辐射而言 ，系统可 因而 有 较高的 信噪比， 故 可 进一步提高 信道容量 。而 3GPP对于手持终端设备（属 power class 3）的 5G毫米波 天线增益（若不考虑负载牵引效应或负载牵引效应不显著）所对应的等效 EIRP（ Effective Isotropic Radiated Power） 在不同的频段内 皆 定 有不同的最低可接受 峰值 限值 及 为避免 EIRP过 大 而 影响其他系统 的 最高 EIRP峰值限制 4，如下表 2-1所示 。 波束覆盖 ： 毫米波天线 阵列由于波束 较窄，为 了 避免造成广大的无线 通信 盲区， 需 要采用 波束成形（ beamforming） 技术 以 实现天线波束 在空间的扫描进而达到 可接受的 空间覆 l e n g t h l z = 5 . 5 w i d t h w z = 2 . 5 3 2 f e e d i n g s t r i p w i d t h 1 . 5 n e u t r a l i z a t i o n l i n e w i d t h 0 . 6 U n it: m m A n t 1 A n t 3 A n t 2 A n t 4 A n t 6 A n t 5 A n t 7 A n t 8 A n t 9 A n t 1 2 A n t 1 1 A n t 1 0 0 . 8 - m m t h i c k F R 4 s u b s t r a t e a s s y s t e m c i r c u i t b o a r d , s y s t e m g r o u n d i s o n t h e b a c k s u r f a c e 1 5 0 7 5 6 - m m t h i c k A r l o n A D 2 6 0 A s u b s t r a t e 1 7 1 7 A B C 5 . 5 5 . 5 L 2 = 0 . 2 p F C 2 = 0 . 8 n H C 3 = 0 . 2 p F L 3 = 1 . 6 n H l e n g t h l x = 9 . 7 w i d t h w x = 1 l e n g t h l y = 9 . 2 w i d t h w y = 1 C n = 2 . 2 p F Novel Antenna Technologies towards 6G 8 / 30 盖。 而于 3GPP中， 累计分布函数（ Cumulative Distribution Function, CDF） 便被使用以 作为衡量 波束空间覆盖范围（ spatial coverage或 spherical coverage） 的 方式 ；而 对手持终端类，目前 3GPP 的 规范是 自由空间下 CDF 50%时对应的 EIRP值作为评判依据 ， 具体指标 亦 如表 2-1所示 。 双极化 ：此外， 信号在毫米波段无线传播的强度往往较弱，且对阻挡较敏感，为有 较好的通信效果，双极化辐射的天线设计可减少收发电波的极化失配，进而减少用户无法无线 通信连线、中途断线或卡顿的概率，以 便 可较 好 地保障用户无线体验 ；另外 双极化天线亦可有 助于 实现 MIMO功能。 多频段 ： 3GPP最新已正式编号的 5G毫米波授权频段（ licensed bands） 共 有 n258（ 24.25 GHz27.5 GHz）、 n257（ 26.5 GHz29.5 GHz）、 n261（ 27.5 GHz28.35 GHz）、 n260（ 37.0 GHz 40.0 GHz），及 n259（ 39.5 GHz43.5 GHz） 等 五个频段 4，有鉴于手机的 漫游切换 以及 频 段 载波聚合（ carrier aggregation, CA）的传输提速 需求 ， 手机 5G毫米波天线 常 需进行多频段 设计 。 表 2-1 手持终端（属功率等级 3设备 ）的 EIRP（ dBm）限值 工 作频段 最低峰值 EIRP 最高峰值 EIRP 空间覆盖 50% CDF低限 EIRP n257 22.4 43.0 11.5 n258 22.4 43.0 11.5 n259 18.7 43.0 5.8 n260 20.6 43.0 8.0 n261 22.4 43.0 11.5 备注：最低限值未含测试公差 出处： 3GPP TS 38.101-2 V16.4.0 4 2.2.2 设计 挑战 馈入损耗 ： 路径损耗往往是高频工作时首先遭遇的挑战或考量的问题，故在毫米波 段操作时，天线的馈入损耗往往明显高于既往 分米波或 厘米波段通信时的天线馈入损耗，故无 论对于手机或基站而言，在毫米波段的天线馈入损耗皆是影响毫米波天线整体性能的 首要 因子。 覆盖材料 ：此外， 于 手机 天线 而言，手机外观材料对天线性能，尤其是 对于 毫米波 段天线，往往有显著的影响。基于 外观美学与 视觉和握持 质感的 考量 ，及 整机结构强度的 设计 ， 覆盖 于天线上方的外观 材料可能为 介质或 金属（如金属边框或金属背盖） 。 若是金属覆盖于毫 米波天线上，则往往会因金属的屏蔽效应， 导致 毫米波天线的性能 严重恶化。如 2020年 10月发 布的一款代表性的 5G手机 5， 便 采用两种不同金属外框搭配毫米波版（于金属框上直接挖长 Novel Antenna Technologies towards 6G 9 / 30 槽以避让毫米波 AiP模块）与非毫米波版（金属框完整）， 即 图 2-2所示 ，然而 目前 图中的金属 框设计 亦会影响显示屏向侧边延伸的程度，且此长槽填充物所致的外观色差亦 肉眼可辨 。 而 即 使 覆盖材料为介质（如：塑胶 / 玻璃 / 陶瓷等）， 此些 介质材质（包含材质的厚度、介电常数， 及损耗角正切等） 的影响亦会对 毫米波天线 形成 天线罩效应 （ randome effect）， 尤其是介电常 数越高或损耗角正切越大的材料，其材料厚度 变化 对毫米波天线性能的影响 便越 大 。 外观共形 ：此外，如何毫米波天线如何与手机的弧边共形， 以 达圆润且轻薄的外观 与握感 ，对手机外形设计而言 往往 相当 关键 。 复用空间 ：手机内空间 紧凑局限 ，天线众多，如何使毫米波与非毫米波进行共口径 的整合设计，以复用天线空间，亦是重要的主题。 与屏兼容 ：再者，手 机的屏占比 日益攀 高（如更极致的全面屏、双面屏、瀑布屏等） 限制了天线 布局空间 位置 的选择 并 压缩了天线可获得的有效空间（即所谓的净空区） ，故如何 使 天线 （包含毫米波与非毫米波天线）和 高屏占比的显示屏兼容，亦是急迫的课题。 图 2-2 同公司 、 同时期 、同系列 手机 之金属边框对比侧 视实例 5 Novel Antenna Technologies towards 6G 10 / 30 2.2.3 对策方案 馈入损耗 ： 目前商用的 手机 5G毫米波天线主流方案为封装天线方案， 即 所谓的 AiP （ Antenna-in-Package）方案，而 AiP方案的主要概念是将天线与射频裸片经由 IC封装而得的集 成式天线解决方案 6， 以使馈入路径缩短， 而 减少馈入损耗， 如图 2-3 (a) 所示。美国高通公 司自 2018年起，迄今正式发布了三款 5G毫米波封装天线，即 QTM 052（ 2018年 ） 、 QTM 525 （ 2019年 ） ，及 QTM 535（ 2020年 ） ，而 此三版本的主要演进点包含了覆盖频段的拓展与 AiP 模块尺寸的变化等 。 如 图 2-3 (b) 所 示 的 QTM 052 AiP模块 新旧 两版本的宽度变化 ， 新版本的 AiP模块 因其宽度变小 ， 故 更易于置入厚度较薄或侧边收弧较大的手机内， 从而 有助 于 整机外 形与整体设计达到更 优 的综合竞争力 。 (a) (b) 图 2-3 手机毫米波 AiP： (a) AiP文献设计例 7； (b) 已商用的 5G毫米波 AiP模块实例 8 覆盖材料 ：为了克服 金属外观对天线 的 屏蔽限制， 下述的 多篇 文献 提出 了 不同解决 方案 ， 如有在金属外观上直接开设天线窗口 以 容纳 AiP模块 9（如图 2-2概念） ，或是将毫米 波天线阵列直接嵌入金属外观上的毫米波 AiME (Antennas in Metal Exterior)方 案 10，甚至将 毫米波天线阵列直接嵌入在作为非毫米波天线（如： LTE天线）的金属外观上，即毫米波 在 非 毫米波天线 内 的共口径设计 ，称 AiA（ mm-Wave Antennas in non-mm-Wave Antennas） , 如图 2- 4所示 11。 此外，为进一步减低 AiA的馈入损耗，文献 12 便将 AiP馈 入损耗低的优势与 AiA 突破金属并兼具非毫米波天线的优势相互融合，即把 AiP方案中剪裁掉天线后的馈入封装集成 于 AiA中作为非毫米波天线的金属外观 内侧 ， 而 形成 AiAiP方案 (AiA integrating a Package) , 如 图 2-5所示。 外观共形 ：如图 2-6所示 13， AiA可 依 托 内 外 部 金属 结构而达良好的外观共形需求。 复用空间 ： AiA与 AiAiP因皆为将毫米波内嵌于非毫米波的共口径设计，故可 致 复用 天线空间的 设计 。 与屏兼容 ： 如 图 2-7示 1416， AoD (Antenna-on-Display)方案将 天线与屏整合设计。 Novel Antenna Technologies towards 6G 11 / 30 图 2-4 毫米波天线 在非毫米波天线内（即 AiA）设计 11 图 2-5 AiA集成封装（即 AiAiP）方案 12 图 2-6 AiA之外观共形示意图 13 14 15 16 图 2-7 AoD方案之示意图 14， 15 与 28-GHz AoD样机 16 手机外观金属框作为 非毫米波的 LTE天线 毫米波天线阵列 集成于 LTE天线内 毫米波天线阵列位于 LTE天线内侧的端口 集成于作为非毫米波 LTE天线 的外观金属框内侧之馈入封装 外观金属框作为 LTE天线 IC载板 IC屏蔽罩 连接座 毫米波天线阵列端口 LTE天线支架 LTE天线馈线 馈入封装 Novel Antenna Technologies towards 6G 12 / 30 3 基站天线 大规模 MIMO 技术是新一代移动通信的核心技术。 大规模 MIMO 系统 在基站端使用了 大规模天线阵列，通过利用分集和空间复用的思想，可以在不增加频谱资源和功率的情况下， 提供巨大的阵列增益、分集增益和复用增益，并且成倍地提高系统的频谱利用率，实现系统容 量的数量级增长 。大规模 MIMO天线阵作为关键支撑技术近年来受到了广泛研究。 2016 年 D. Manteuffel 等人提出一种室内 MIMO基站天线 阵 17，如图 3-1 所示。 借助 特 征模理论 ， 通过 对 同 一 个贴片 用不同的馈电端口可 激励起不同频段的本征电流，实现宽带特性。 另外 控制开缝以及调节缝的大小和位置，可以进一步调节匹配。 最后设计 了 484 个端口的 11 11 个天线单元组成的大规模 MIMO 阵列，与传统的交叉偶极子相比，可以实现尺寸 54% 的缩减。天线工作在 6-8.5 GHz 的频带内，各天线端口 间的隔离度为 20 dB。 （ a） （ b） 图 3-1 11 11个单元的大规模 MIMO基站天线阵：（ a）天线单元；（ b） MIMO阵列 2016 年 Y. Gao 等 学者 提出了一个双极化 MIMO天线阵列 18（如图 3-2） ，它有 144个端口， 可以在 3.7GHz的频率下工作。该阵列由 18个低 剖面 子阵列组成。每个子阵由四个单元组成。每 个天线单元由一个垂直极化端口和一个水平极化端口组成，它们连接到功率分配器，作为馈电 网络。 天线单元 采用堆叠式贴片设计， 阵列 整体呈现三层台阶结构 ，相邻台阶 夹角为 20度， 最 终天线端口之间可提供 25dB的隔离度。 另外 瑞典 Lund大学 开发了基于 100个天线单元的 LuMaMi原型机 19（如图 3-3所示） ，中 国无线移动国家重点实验室 开发了 128天线单元的 大规模 MIMO系统样机 20。除此之外，还有 美国莱斯大学的 Argos原型机 、 三星毫米波大规模天线原型机、欧洲电信研究院 Open Air Interface大规模 MIMO系统 原型机、英国布里斯托大学 的 原型机等等 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 13 / 30 （ a） （ b） 图 3-2 144个端口的双极化 MIMO基站天线阵 18：（ a）双极化天线；（ b） MIMO阵列 （ a） （ b） 图 3-3 瑞典 Lund大学的 LuMaMi原型机 ：（ a）系统架构；（ b）原型机 虽然大规模 MIMO 天线阵能够给通信系统带来很多 优势，但是由于 要 配备成百上千根天 线，大规模 MIMO 系统 增加 了 信道矩阵的维度 ， 提高 了 信道估计和预编码的计算复杂度，带来 无法估计的硬件实施成本和能量损耗问题，因此需要对大规模 MIMO 天线阵及其系统 进行进 一步的研究 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 14 / 30 4 毫米波 天线 阵 毫米波已作为 5G通信的候选频谱写进了标准协议，在 6G通信中也必将发挥更大的作用。 尽管毫米波 具有大带宽 的优势，但由于其工作波长较短，会造成更大的传输损耗、更短的传输 距离等天然劣势。为了克服这一缺点，毫 米波天线多采用 阵列 技术 提高增益 以增强覆盖能力 。 文献 21提出了一种用于 E波段回 传 应用的宽带高增益平面天线阵 （如图 4-1所示） 。天线 单元由基片集成波导（ SIW）背腔贴片和阶梯波导喇叭组成 ， 采用 SIW背腔贴片作为 馈源 和阻 抗变换器，激励上层阶梯波导喇叭。制作了 16 16单元的样机并进行了测试。实验结果表明， 该天线在 71-88.5GHz范围内具有 22.4%的 10db阻抗带宽和 28.8 30.9dbi的峰值增益 。 （ a） （ b） 图 4-1 E波段宽带高增益平面天线阵 21（ a）天线阵结构；（ b） 实物加工 图 文献 22设计了一种双波段共享孔径可变倾角连续横向短柱天线 （如图 4-2） ， 工作于 K波 段和 Ka波段 的 移动卫星通信频段 ， 具有良好的端口隔离性和低 剖面 性能。 其创新性在于 共享辐 射孔径和独立馈电网络，即两个馈电网络集成，共享一个辐射孔径。在两个工作频带的中心频 率（ 19.8GHz和 29.2GHz）下， 波 束扫描覆盖率分别为 38 2和 60 2， K波段和 Ka波段的相 对带宽分别为 3.0%和 2.7%， 最大增益分别为 24.33dBi和 28.52dbi。 该方案为 K波段和 Ka波段移 动卫星通信 提供了低成本天线 方案。 Novel Antenna Technologies towards 6G 15 / 30 （ a） （ b） 图 4-2 高增益二维多波束天线阵阵 22（ a）天线阵结构；（ b） 实物加工 图 文献 23介绍了一 款 94GHz基片集成波导（ SIW）平行板长缝阵列天线 （如图 4-3） ，它能 够从单个辐射孔产生双圆极化（ CP）低副瓣电平（ SLL）波束。这种天线由两层 SIW基片 组成 ， 分别 用于构造不等 长 馈电网络 以及 构造 15 15共享孔径平行板缝隙阵列天线。与单层结构相比， 这种多层拓扑结构具有更小的尺寸。利用两个一维 16路 不等 功分 器抑制 CP阵列两个平面上的 SLL，然后在馈电网络中使用 90耦合器，最终在左手圆极化（ LHCP）和右手圆极化（ RHCP） 之间切换 工作 模式 。 （ a） （ b） 图 4-3 高增益二维多波束天线阵阵 23（ a）天线阵结构；（ b） 实物加工 图 文献 24基于喇叭透镜和 定频 漏波天线提出了一种 高增益二维扫描多波束阵列天线 （如图 4-4） 。该阵列天线 对喇叭透镜的结构和性能进行 了 改进，提出了一种新的相位补偿方法，可有 效减少喇叭透镜的扫描增益损失 。另外结合可重构技术，提出了可编码的定 频 漏波天线 。通过 级联修正型喇叭透镜和基片集成定频漏波天线，最终设计实现了一款 7 5个单元数的 高增益二 Novel Antenna Technologies towards 6G 16 / 30 维扫描多波束阵列天线 。 该天线阵可以在二维平面内产生 35个波束，在 10GHz 时的增益为 18.6222.14dBi。与使用传统拓扑的二维扫描多波束天线相比，本设计具有更简单的结构，具 有更高的增益 。 （ a） （ b） 图 4-4 高增益二维多波束天线阵阵 24（ a）天线阵结构；（ b） 半功率波束方向 图 P h T x y S I W - m i c r o s t r i p L e n s c a v i t y P h a s e r F i x e d - f r e q u e n c y l e a k y - w a v e a n t e n n a C o n n e c t o r F o c a l p o i n t G L a t e r a l w a l l P h a s e i n v e r t e r S h o r t e d t e r m i n a l B i n a r y u n i t P h a s e i n v e r t e r O N ( 1 ) O F F ( 0 ) B i n a r y u n i t 1 2 . 9 0 8 . 1 0 # B 1 # B 2 # B 3 # B 4 # B 5 # B 6 # B 7 20 40 60 80 100 120 140 160 20 30 40 50 60 70 80 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 T h e t a ( d e g ) Ph i (d e g ) S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 Novel Antenna Technologies towards 6G 17 / 30 5 THz 天线 太赫兹技术作为是未来移动通信中重要的候选技术之一，在提升通信速率方面具有无可比 拟的优势，但也存在一些限制 。 根据自由空间传播损耗公式，随着频率的升高，电磁波传播损 耗会 大幅 增加 ， 同时太赫兹波在大气中存在分子吸收损耗，水分子影响尤其显著，这导致了太 赫兹传播具备高损耗的特点。因此，太赫兹通信系统往往需要采用定向天线和超大规模天线阵 列来获得高增益 。 相比传统微波频段，太赫兹频段对天线的结构工艺要求更高 。 按照结构与工作机理划分， 常见的太赫兹天线包括喇叭天线、贴片和缝隙天线、反射面天线、透镜天线等。其中，喇叭天 线这类机械天线工艺相对比较成熟，能够产生良好的定向波束 。 喇叭天线通常既可以作为反射 面天线和透镜天线的馈源，也可以用作直接辐射的独立天线使用，在许多太赫兹实验演示系统 中得到了广泛的应用， 但其立体结构不利于集成到电路 中 ，且太赫兹频段天线尺寸进一步减小， 增加了喇叭天线的制作工艺成本与难度。反射面天线和透镜天线是由馈源天线和具有聚焦功能 的口径面构成，能够形成定向高增益波束 。 通常反射面天线更多应用于射电天文领域 。 文献 25 设计了一种可以提供波束控制能力的高增益反射面天线，可用于远距离大容量太赫兹无线通信。 太赫兹频段波长短，介质基片尺寸相对较大，产生的表面波损耗严重，透镜天线因其具有聚焦 波束能力可消除平面天线的表面波效应，能够有效降低能量损失，提高天线增益，因而成为太 赫兹频段常用的天线形式 26。 此外，光电导天线作为产生宽带太赫兹波的一个主要方法，已被广泛用于宽带脉冲和单频 连续太赫兹波段信号的产生和检测，是太赫兹成像和光谱系统中的基础器件 27。在新材料天 线方面，碳纳米管天线和石墨烯天线同样是太赫兹天线领域的研究热点。理想碳纳米管可认为 是由碳原子构成的二维石墨平面卷曲而成的圆柱体管状结构，当被电磁激发时，碳纳米管可以 像一个小的偶极子天线一样在太赫兹频段辐射 28。石墨烯的独特电性能（例如高电导率）使 其非常适合支持极高频信号。特别是，石墨烯 在 THz频率支持表面等离激元（ SPP）波， SPP共 振波 长比自由空间波 长 小得多，便于实现灵活紧凑设计 29。 在 THz频段采用石墨烯等离子纳 米天线阵列，可在 1平方毫米内嵌入上千个阵列单元 30，在器件小型化及超大规模天线阵列设 计方面具有独特的优势 。 未来的太赫兹通信系统可能采用超大规模天线阵列，阵列结构的设计对太赫兹通信系统性 能影响重大。阵列天线基于波的干涉和叠加，形成指向性波束抵抗传输损耗 。 与毫米波类似， 考虑到复杂度、成本与性能，超大规模太赫兹天线阵列在波束赋形方面 通常 考虑采用数模混合 Novel Antenna Technologies towards 6G 18 / 30 方式。太赫兹信道具有稀疏特性，经过合理设计，混合波束赋形可以达到与全数字波 束赋形相 当的性能。射频链路与天线阵子的连接方式可以分为全连接方式和部分连接方式 31，如图 5- 1所示。全连接方式虽然可以获得更好的赋形增益，但存在插入损耗大、对馈电能力要求高的 缺点，因此从功耗、能效以及实现复杂度等角度考虑，太赫兹通信系统不适合采用全连接方式。 未来的 THz系统在大规模天线阵列设计上更倾向于采用部分连接 (AoSA)架构 。 （ a） （ b） 图 5-1 THz系统架构 : （ a） 全连接架构 ; （ b）基于子阵的部分连接结构 太赫兹天线的设计相比于 微波 天线设计还存在诸多其他方面的挑战，例如 微波 天线可以独 立设计后再连接到射频系统 。 而在太赫兹频段，为了进一步减小连接损耗，降低成本，需要考 虑天线阵列和 RF电路的集成设计，采用天线封装 AiP以及片上天线 AoC技术 32。 太赫兹频段 支持超大带宽通信，同时考虑到大气传输时分子吸收形成的传输窗口，以及与低频段的共存问 题，需要超宽带 /多波段的天线设计。总而言之，关于太赫兹天线，不论是工艺材料还是结构设 计方面，还需 要深入 研究 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 19 / 30 6 龙伯透镜天线 龙伯透镜天线 最早由 上世纪 40 年代 的 S. K. Luneburg 提出 ，典型的龙伯透镜天线 是一 种 球对称的 介质透镜天线， 其介电常数 分布 从内层到表面满足 2到 1 的变化规律， 其 表面的每 一个点都可以认为是焦点 ， 只要在透镜表面安放多个馈源，就可以很容易 在全空间形成 多波束 ， 而且每个波束增益相同 。 但由于低损耗介质制作工艺不成熟，导致龙伯透镜天线发展相对缓慢 。 由于球形龙伯透镜天线安装相对复杂，因此结构更为简单的柱面龙伯透镜天线近年来受到 了更多重视和研究。 2013年浙江大学吴锡东教授团队提出一种空气填充的柱面龙伯透镜天线 33，如图 8-1所示， 该天线根据 TE 波在平行板波导内的传播常数与波导高度相关，通过控制 平行波波导沿径向的高度来实现相应的传播常数。 2013 年 Olivier Lafond 等人 提 出 一种 60GHz分层柱面龙伯透镜天线 34, 如图 8-2 所示，该透镜天线的内部高介电常数层采用在高 介电常数 Teflon 介质片上打孔等效 来实现， 外部低介电常数分层采用发泡技术来实现 。结果表 明 该天线可以实现方位面内大角度的波束覆盖 。 （ a） （ b） 图 6-1 空气填充的柱面龙伯透镜天线 33。 (a)内部俯视图； (b)侧视图 图 6-2 60GHz 的分层柱面龙伯透镜天线 34。 (a)俯视图； (b)侧视图 Novel Antenna Technologies towards 6G 20 / 30 电子科技科技大学杨仕文教授团队近年来开展了柱面龙伯透镜天线的系统研究，指导张哲 从解析解的理论与分层介质的分析出发，基于并矢格林函数理论，推导了柱面龙伯透镜天线理 想模型的解析解 35，并 将其与等效原理和口径场法相结合 ，最后 将其应用 到 60GHz频段极扁 平 柱面龙伯 透镜天线的快速分析 和设计中（如图 8-3所示） ， 测试所得该透镜天线于 60GHz下的 增益 约 为 17 dBi。 图 6-3 极扁平 柱面龙伯透镜天线 35 除了龙伯透镜天线外，还有 Rotman透镜天线、喇叭透镜天线、以及超材料 /超表面透镜天 线等，但只有龙伯透镜天线在覆盖空域内能够展现出完美的扫描波束而具有比较优势。随着低 损耗介质以及加工工艺的进步，龙伯透镜天线的研究与应用必将更进一步 。 Novel Antenna Technologies towards 6G 21 / 30 7 智能反射面 5G网络已经可以实现 1000倍网络容量的增加和 1000亿设备的实时连接，这些功能的实现 离不开超密集网络（ Ultra-Dense Network， UDN）关键技术的支持，例如大规模多输入多输出 （ massive MIMO），毫米波通信等。但这些新技术实现所需的高复杂度、硬件成本和较大能耗 的关键问题仍尚未解决。因此，为将来的无线通信开发更灵活的硬件体系结构具有重要意义。 下一代无线网络的研究需要寻找低成本，高频谱和能源效率的解决方案。另外，自从现代无线 通信的应用开始以来，传播介质就被视为发射机和接收机之间的随机行为实体，由于所传输的 无线电波与周围环境之间的不可控制的相 互作用，接收信号的质量会变得