高频天线技术与应用前沿报告（2020年）_51页_1mb

高频天线技术与应用前沿报告总结

核心内容

本报告全面分析了高频天线技术在全球及我国的发展现状、技术趋势和面临的工程难题，并提出了相关政策建议。高频天线技术作为无线通信系统的关键组成部分，对通信系统的性能具有决定性影响。随着5G、6G以及太赫兹通信的发展，高频天线技术正逐步向更高频段演进，成为推动通信技术进步的重要支撑。

主要观点

• 高频天线技术是通信系统中不可或缺的组成部分，直接影响通信系统的性能。
• 5G技术推动了高频段（如毫米波）的广泛应用，而6G将聚焦于太赫兹频段，以实现更高速率、更大容量的通信。
• 太赫兹通信具有高带宽、高速率、高安全性等优势，是未来通信技术的重要发展方向。
• 高频天线技术的发展面临诸多挑战，包括电大尺寸设计、介质损耗、电磁兼容、PCB工艺等。

关键信息

一、全球发展态势

1. 系统热点分布
   5G、6G、卫星通信、无线局域网（WLAN）、太赫兹通信等成为研究热点。其中，5G的三大场景：eMBB（增强移动宽带）、uRLLC（高可靠低时延）、mMTC（海量机器类通信）对高频段提出了更高要求。

2. 频率分布及分析

   • 5G的高频段主要集中在24.25~27.5GHz、27.5~29.5GHz、31.8~33.4GHz等毫米波频段。
   • 中国已批复24.75~27.5GHz和37~42.5GHz用于5G试验，为6G预留了空间。

3. 高频天线关键技术发展态势

   • 大规模MIMO技术：通过多天线提升频谱效率和通信质量，但面临导频污染等挑战。
   • 同频全双工技术：有效提升频谱利用率，但存在自干扰问题，需采用模拟域或数字域消除技术。
   • 毫米波频段移动通信技术：具备高带宽特性，但需解决波束赋形、波束管理等难题。
   • 超宽带低复杂度信号处理：对ADC提出更高要求，需研究低分辨率ADC和时间交织技术。
   • 网络组网架构和空口优化：需适应高频段波束窄、覆盖范围小等特点，优化组网架构和空口设计。

二、我国发展现状

1. 系统热点分布
   我国在5G领域已取得领先优势，同时正积极布局6G技术，向更高频段发展。

2. 频率分布及分析

   • 我国已实现6GHz以下5G频段的商用，高频段（如毫米波）仍处于技术探索阶段。
   • 目前我国已建设约45万座5G基站，用户规模达到一定水平。

三、技术预见

1. 天线形式

   • 天线将向智能化、小型化、定制化发展，包括印刷天线、金属天线、石墨烯等离子体天线等。
   • 衬底集成天线（SIA）、封装天线（AIP）、片上天线（AOC）等技术正在快速发展。

2. 天线频段

   • 太赫兹频段划分明确，涵盖从0.12THz到4.1THz的多个频段，其中0.12THz~0.34THz为当前研究重点。

3. 天线应用场景

   • 5G蜂窝网络、太赫兹通信、太比特无线局域网（T-WLAN）、太比特无线个域网（T-WPAN）、安全通信、健康监测系统、纳米物联网、超高速片上通信等。

四、太赫兹通信应用

1. 太赫兹通信概述

   • 太赫兹通信具有高带宽、高速率、高安全性的特点，是未来通信的重要方向。
   • 国内外均在太赫兹通信系统、源、探测器、调制技术等方面取得进展。

2. 国内外现状

   • 国外：美国、德国、日本等在太赫兹通信技术上已取得显著进展，如NTT的0.12THz系统、德国IAF的0.24THz系统、Bell实验室的0.625THz系统等。
   • 国内：中国工程物理研究院、电子科技大学、中科院微系统所等单位在太赫兹通信系统、调制解调器、探测技术等方面取得突破。

3. 关键技术

   • 太赫兹源：包括半导体、光学、真空电子学等类型，其中QCL、BWO、UTC-PD等技术发展较快。
   • 调制技术：采用超材料、光子晶体、HEMT、石墨烯等材料和技术实现高效调制。
   • 探测技术：包括时域光谱、光电导取样、量子阱探测器（QWP）等，以提高接收灵敏度和信噪比。

五、工程难题

1. 电大尺寸设计和计算问题

   • 需结合商业软件与自编程序进行精细设计和优化，实现高增益、高均匀度的天线。

2. 大口径天线介质损耗

   • 介质损耗与结构紧密度和频率有关，需采用优化材料和设计方法减少损耗。

3. 电磁兼容问题

   • 高频信号易产生电磁干扰（EMI），需通过接地、滤波、屏蔽等技术解决。

4. PCB及工艺加工问题

   • 高频天线板需采用低DK、低Df材料（如PPO树脂），并考虑PCB叠层对称性、散热设计、高密度走线等挑战。

六、政策建议

1. 加强高频天线技术总体规划部署和顶层设计

   • 国家应统筹规划，推动高频天线技术发展。

2. 加快颁布国家高新技术有关政策

   • 支持高频天线技术相关产业，推动技术成果转化。

3. 鼓励科研人员从事相关领域的研究

   • 加强人才培养和科研投入，推动高频天线技术发展。

4. 明确职责，加强协作

   • 建立产学研用协作机制，推动技术共享与联合攻关。

5. 推进自主关键技术研发

   • 加强在太赫兹源、调制器、探测器等核心器件的自主研发，提升技术竞争力。

总结

高频天线技术作为现代通信系统的核心组成部分，正随着5G、6G和太赫兹通信的发展而不断演进。其技术发展趋势包括系统化、高频化、智能化，应用场景涵盖移动通信、卫星通信、太赫兹通信、物联网等多个领域。然而，高频天线在工程实现中仍面临诸多挑战，如电大尺寸设计、介质损耗、电磁兼容、PCB工艺等。为推动该技术发展，国家应加强顶层设计和政策支持，鼓励科研攻关与技术转化，实现高频天线技术的突破与应用。