天线前沿技术展望

天线领域还有很多有价值的前沿热点技术，受限于理论模型的完善、产品实现的难点和复杂度、器件材料或成本等原因，当前在移动通信领域还没有获得实际的应用，但在其他领域已取得的应用成果或潜在价值仍值得关注，在解决了上述问题和挑战后，将来有望在移动通信领域获得更多应用，这里也简单进行展望。

介质天线

介质材料是指陶瓷、聚四氟⼄烯等电阻率较高的⼀类固体材料。区别于金属材料和半导体材料，高性能的微波介质材料具备损耗低、尺寸小、重量轻等优势，可应用于滤波器、天线等方向。

介质天线包括介质谐振天线（DRA）和介质加载天线两⼤类。DRA直接采用介质作为谐振单元，多为长方体、半球体、圆柱体等形状规则的介质谐振器，借助其高介电常数实现天线体积小型化。介质加载天线是在常规天线基础上进行介质加载（填充或覆盖），可以起到去耦合、增加隔离等作用，以实现阵列间的紧凑设计。

随着大规模阵列天线向高集成度、高功率发展，DRA损耗低、辐射效率高，可较好满足对无源部件的散热能力要求；此外，DRA的激励方式也多种多样（如探针、微带、缝隙、波导等），设计参数和灵活度较高。DRA的主要挑战，⼀是计算特定形状尺寸的DRA不同模式的谐振频率，目前理论还不成熟；二是设计合适的品质因数Q，虽然Q值越高辐射效果越好，但也会使其工作频带变窄，需要平衡性能与带宽；三是作为阵列天线应用时，陶瓷DAR的重量较大。介质波导以往用于高频段（如毫米波）的信号传输，其损耗低于同轴电缆，与金属波导相比又有一定的柔性。介质波导在没有弯曲时，径向损耗非常小，而当其弯曲到⼀定的程度时，就会有能量辐射（泄漏）出来，导致较大的辐射损耗。基于这⼀特性，可以设计泄露天线，通过在介质波导的特定位置上有意弯折或放置特定的介质块，实现信号的辐射。

介质波导面临的主要挑战是易受周边环境影响发生泄露，因此对部署条件有⼀定的要求；波导的挂装与维护、波导同轴转换、功率的分配与控制、弯曲点的施工（包括生成、保持与恢复）等也是需要解决的问题。此外，与其他毫米波通信手段相比，单个泄露波导无法传输多流，传输长度和辐射的节点数也较为有限。

液晶相控阵天线

液晶材料具有介电常数电压可调的特性，基于液晶材料可以实现移相器功能，用于电磁波相位的调控，即液晶相控阵天线。液晶相控阵可应用于MIMO天线、低轨卫星互联网终端等。

液晶相控阵天线具有尺寸小、重量轻、成本低等优点。由于液晶的生产极具规模降本效应，显著低于半导体移相方案，可以大幅度降低相控阵天线的成本。但液晶移相器的插⼊损耗较高，尤其是在Sub6GHz频段显著高于其他方案，因此液晶相控阵技术更适用于毫米波等高频段。另外，液晶的温度稳定性存在不足，室外应用时如何不受环境的影响也是需要研究解决的问题。

目前，美国Kymeta公司的超材料液晶天线已经商用，德国Alcan公司也已实现液晶相控阵天线原理样机。国内哈工大、电子科大、东南大学都在进行基于液晶移相器的阵列天线研究，京东方传感公司已经推出卫星通信液晶平板天线样机，实现了卫星通信连星，同时在开展应用于5G通信的液晶天线研究。另外，液晶反射阵/透射阵天线可以作为室内RIS方案，应用于5G及未来的6G通信。

液态金属天线

液态金属通常是指熔点低于200℃的低熔点合金，其中室温液态金属的熔点更低，在室温下即呈液态。液态金属在存在氧气的情况下迅速氧化并自发形成薄氧化物“表皮”、不再流动，这层表皮非常薄，可以使得液态金属被构图成各种各样的形状。目前自然界中存在的室温液态纯金属中，只有镓适用于实际产品中，但其熔点仍然较高，不能直接使用。从1990年代末起，国外科学家开始重点研究镓合金，通过加入其他元素来调节熔点。在镓中加入铟元素，形成的镓铟共晶合金，其熔点可在0℃以下。

镓铟液态金属用于电路设计，可通过机械、电压等外部作用，对其形貌、位置等进行控制，可实现灵活设计，且易于电路重构，颠覆了传统铜制电路灵活性不足且难以更改重构的缺点，具有如下性能优势：（1）高强度、高硬度，液态金属的强度是铝、镁合金的10倍以上，不锈钢、钛合金的1.5倍以上；

（2）极强的耐磨性和耐腐蚀性；

（3）在散热性、电磁屏蔽性方面均在轻合金中出类拔萃，而且在加热条件下不易变形、不易导热。因此，液态金属在天线和光学设备、柔性电路、超拉伸电线、传感器和电子皮肤以及柔性机器人等方面具有广泛的应用前景。

以液态金属材料制成的天线，具有如下优势：

（1）频率可调，具备多个工作频带；

（2）弯折不会导致材料疲劳，不易断裂，具备自我修复能力，更为耐用；

（3）设计灵活，可重构；

（4）系统减重，小型化。如，对于终端的天线可调谐需求，从原理上就可以借助液态金属的可调谐、易重构特性实现。但液态金属天线也有着增益低、工作频带较窄、辐射效率低、重构效率低等不足。

现在已公开的研究中，液态金属天线的类型都是一些基本类型，结构也相对简单，主要受限于液态金属这种新型材料的熔点控制、加⼯制造等因素，距离实际工程应用还有较大差距。国内在液态金属方面的研究，中科院理化技术研究所、浙江大学等单位已开展了液态金属3D打印、液态金属界面接触机理等方面的研究，部分研究成果如液态金属3D打印机研制、液态金属自驱动机制揭示等方面，达到国际领先水平。液态金属天线的研究涉及材料、热控、制造等多个学科专业，在国内尚处于起步阶段，面向工程化应用的成果还非常少，与国外存在一定差距，尚需业界共同努力。

稀疏阵技术

稀疏阵是把阵元间距也作为一种方向图综合的变量，通过非均匀布阵实现目标方向图的一种天线排布方式。稀疏阵列可以在一定条件下用较少的阵元数达到同口径下满阵（λ/2间距的均匀阵）的性能，符合大型阵列设计中降低成本及软硬件复杂度的需求。稀疏阵的目的是采用尽可能少的阵元来实现期望的方向图，因此在优化某些指标的同时会以恶化其他指标为代价。譬如保证增益时获得更小的副瓣，或者稀布时保证增益。

稀疏阵技术包括稀疏和稀布两类方向。通过稀疏，相比于满阵方案可以降低阵元数、通道数，降低成本、功耗和散热等；通过稀布，可以在阵元、通道数不变的情况下，增加阵面尺寸，以提升天线增益、波束灵敏度等。

稀疏阵在大型的雷达系统中已经有了较成熟的应用。大型雷达系统的天线阵列规模庞大（上千至上万），有源收发组件多，应用稀疏阵技术在有限的通道数下增大天线口径，可以提高空间分辨率、作用距离，同时也能显著降低系统成本和功耗，稀疏阵技术对于这类系统来说意义重大，甚至是不可或缺的。不过在移动通信场景中，对于Sub6GHz的大规模阵列设备，阵列通道数不多（64个），振子规模有限，赋形时还需要考虑宽窄波束的不同要求，稀疏后对增益和赋形质量会带来损失，而对设备的成本降低贡献有限，同时增加了设计布板的难度，因此应用稀疏阵的价值并不高。对于毫米波频段应用，通过稀布技术来提升增益有一定的应用需求，但目前的毫米波AAU架构，一般由数个天线子阵组成，每个子阵也有独立赋形的需求，降低了自由度，因此也限制了其应用的价值。

后续随着频段的升高和阵列规模的进⼀步增加，以及一些新的应用需求（如通感⼀体等）的出现，稀疏阵技术在移动通信网络的大规模阵列天线中可能会有新的应用空间，因此仍是值得关注的技术方向。

轨道角动量天线

轨道角动量（OAM）是⼀种非常新兴的技术，电磁波传输时携带轨道角动量，利用具有不同本征值的轨道角动量的正交特性，通过多路涡旋电磁波的复用可实现高速率数据传输，在多极化、MIMO技术之外，为容量提升提供新的维度。

轨道角动量的应用离不开涡旋电磁波的产生，OAM天线起到了至关重要的作用。基于轨道角动量的原理可知，在与传播方向垂直的横截面上构造不同模下的相位分布， 即可产生对应模式的涡旋电磁波，如果构造多个模式，则可以产生多模复用效果，提升通信系统容量。目前常用的轨道角动量天线多采用圆形阵列天线、螺旋反射面天线、螺旋投射结构等。

虽然轨道角动量天线在提升信道容量方面有极大的潜能，但是也存在很多的问题需要研究：

（1）涡旋电磁波的产生比较复杂，主要是馈电结构复杂，整体复杂度高，设计难度大，系统总体造价高等。

（2）涡旋电磁波的传输易受干扰。其受多径效应影响较大，发射和接收天线没对准会导致不同OAM信道间的串扰增加。

（3）涡旋电磁波的接收困难。由于涡旋电磁波中心相位存在奇点，中心幅度为零，且具有发散性，随着传播距离的增加，波束发散度变大。这就限制了传输距离，同时对接收天线尺寸要求比较大。目前清华大学已经研究了部分孔径接收法，但尚不成熟。

综上所述，轨道角动量在无线通信中应用面临挑战，但仍是未来天线研究热点之⼀。在目前的 OAM 波束控制技术中,抛物面、透镜天线、超表面都能够支持多模数OAM 波束的控制，其中超表面由于结构简单以及相位设计的灵活性具有很好发展前景,但不足是具有较大的平面尺寸。OAM 波束控制技术仍处于探索阶段，从性能以及应用需求上仍有很大提升空间。

信息超材料

信息超材料由东南大学崔铁军院士团队提出的数字编码和可编程超材料概念发展而来，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料和可认知超材料。信息超材料从信息的角度来分析与设计超材料, 直接处理数字编码信息, 并可进⼀步对信息进行感知、理解等。信息超材料的核心是在超材料的物理空间上建立起数字空间,将电磁学和信息科学有机地结合起来, 开拓新的学科方向,产生⼀系列具有新体制新机理的信息系统。

以信息超材料为基础，可以实现一种全新的直接辐射无线数字通信系统。在这⼀架构中，发射系统所传递的信息被加载到可编程超材料上, 在馈源天线的照射下以不断变换的远场方向图的形式直接辐射到自由空间中；接收系统将处于远场区域不同位置处的接收天线所接收到的电场值汇总得到远场方向图, 通过对比远场方向图与编码序列之间的映射关系，恢复出所发送的原始信息。与传统通信系统相比，这一架构省去了数模转换和混频模块，极大简化了传统通信的复杂度，降低了成本。这⼀新体制无线通信方式引起了国内外的关注，被视为下⼀代无线通信的候选技术之一，其研究进展值得关注。

结语

5G产业发展到现阶段，从核心技术演进、成本结构优化、深度覆盖方案、网络融合技术、形态材料创新、智能调控能力等维度对天线技术发展方向和生态推动策略都提出了新的要求。为了实现天线新技术平稳演进、新生态蓬勃发展，需要进一步考虑如下问题：

（1）面向产业新应用新需求充分挖掘新技术新能力，做到技术能力与应用需求的精准对接；

（2）联合产业共发展，构建行业新生态。协同打造新技术生态圈，推动创新成果产业化落地和商业化推广；

（3）打造可持续发展产业链合作新模式，深挖合作潜力，拓展协作领域，实现共赢发展。

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