天线前沿技术展望分析

想了解更多相关内容，可以下载报告《天线新技术新生态与产业发展白皮书》查看，以下内容都是根据该报告总结的，仅供参考。

1. 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，多为⻓⽅体、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，⺫前理论还不成熟；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（泄露）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[6]。

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，传输⻓度和辐射的节点数也较为有限。

2. 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 轨卫星互联⺴终端等。

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。

3. 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。⺫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⼲泛的应⽤前景。

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。

4. 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⺫标 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。稀疏阵的⺫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，但⺫前的毫⽶波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⺴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。