中国通信学会-高频天线技术与应用前沿报告（2020年）-2020.12-50页_1mb

高频天线技术与应用前沿报告总结

核心内容概述

高频天线技术是无线电通信、卫星通信、雷达和太空探索等系统的关键组成部分，承担着信号收发的重要任务，是当前跨领域、综合性的研究热点。随着移动通信、卫星通信、深空探测和军事设备的发展，天线技术正逐步向更高频段演进，以满足更高的通信速率、更大的带宽和更优的通信性能需求。本报告分析了高频天线技术的全球发展态势、我国发展现状、技术预见及工程难题，并提出了相关产业政策建议。

主要观点与关键信息

1. 高频天线技术发展趋势

• 系统化与复杂化：天线设计正朝着多频段、多波束、高增益方向发展，涉及整个通信系统的优化。
• 技术多样化：包括大规模MIMO、同频全双工、毫米波通信、超宽带低复杂度信号处理、网络架构优化等。
• 集成化：高频天线正朝着与芯片、模块集成的方向发展，如AIP、AOB、AOC等集成方式。
• 应用拓展：高频天线技术不仅用于移动通信，还在太赫兹通信、物联网、健康监测、安全通信等领域展现出巨大潜力。

2. 全球发展态势

• 5G频段划分：5G通信将覆盖低、中、高频段，其中6GHz以上频段具有大带宽，适合高容量通信。
• 频谱分配：美国、日本、韩国、德国、英国等国家已开始分配和规划5G高频段，如28GHz、39GHz、64-71GHz等。
• 我国频谱布局：中国工信部批准了24.75-27.5GHz和37-42.5GHz用于5G试验，为6G和太赫兹通信奠定基础。

3. 高频天线关键技术

3.1 大规模MIMO技术

• 提升频谱效率和通信速率。
• 需要解决导频污染问题，可通过用户分类实现优化。

3.2 同频全双工技术

• 有效挖掘频谱资源，提高传输效率。
• 存在自干扰问题，需采用模拟和数字域自干扰消除技术。

3.3 毫米波频段移动通信技术

• 提供高速、大容量通信，适合5G和6G。
• 需要波束赋形和管理，以及与中频子系统的分离设计。

3.4 超宽带低复杂度信号处理

• 需要高采样率的ADC，但制造难度高。
• 研究方向包括低分辨率ADC和时间交织技术。

3.5 网络组网架构和空口优化

• 高频段波束较窄，需优化网络结构，如采用定向波束和智能组网技术。
• 需要解决信号覆盖范围小、易受干扰等问题。

4. 我国发展现状

• 5G进展显著：我国已建成约45万座5G基站，进入规模商用阶段。
• 6G与太赫兹技术布局：6G技术研究已聚焦于更高频段，如太赫兹波段。
• 国内研究进展：在太赫兹通信、调制器、探测器等关键技术方面取得一定突破，如中国工程物理研究院、电子科技大学等单位的实验成果。

5. 太赫兹通信技术

• 应用前景广阔：适用于高速、安全、短距离通信，如T-WLAN、T-WPAN、健康监测、安全通信等。
• 国内外研究现状：
  • 国外：美国、德国、日本等国家在太赫兹通信系统、调制器和探测器方面取得了较高水平的成果，如NTT、IAF等。
  • 国内：在太赫兹通信系统、调制器和探测器方面也取得进展，但整体仍处于追赶阶段。

6. 太赫兹通信关键技术

6.1 太赫兹源

• 半导体太赫兹源：如QCL、RTD等，发展迅速。
• 光学与光子学太赫兹源：通过飞秒激光、非线性光学等技术实现。
• 真空电子学太赫兹源：如BWO、回旋管等，功率较高。

6.2 太赫兹调制技术

• 调制器研究：包括光子晶体、超材料、HEMT、石墨烯等材料结构。
• 调制方式：如OOK、ASK、QAM等，调制深度和速率不断提升。

6.3 太赫兹探测技术

• 传统探测技术：如SIS、HEB、SBD等。
• 时域光谱探测技术：利用光电导、电光等技术提高探测灵敏度。
• 量子阱探测器：具有较强的光谱分辨率，适用于太赫兹通信。

6.4 太赫兹通信系统实例

• 日本NTT系统：在0.12THz和0.3THz频段实现高速通信，如16Gbps、24Gbps等。
• 德国IAF系统：实现40Gbps和100Gbps通信，采用全电子学和光电转换方式。
• 中国工程物理研究院系统：实现0.14THz和0.34THz的通信，采用16QAM、次谐波混频等技术。
• 美国Bell实验室系统：实现0.625THz通信，采用全电子学方式。
• 中科院微系统所系统：在4.1THz频段实现通信，包括音频、文件和视频传输。

7. 工程难题

• 电大尺寸设计与计算问题：需结合商业软件与自编程序，进行优化设计。
• 大口径天线介质损耗：主要来源于极化损耗，需选择合适材料和工艺。
• 电磁兼容问题：需减少高频电流回路面积，采用接地、滤波和屏蔽技术。
• PCB及工艺加工问题：高频天线板对材料和工艺要求高，如低DK、低Df材料，以及高密度布线和贴片技术。

8. 政策建议

• 加强技术总体规划：推动高频天线技术的系统化发展。
• 加快政策制定：支持高频天线及相关技术的产业化发展。
• 鼓励科研投入：吸引更多科研人员参与高频天线技术研究。
• 明确职责，加强协作：促进产学研用结合，推动技术落地。
• 推进自主技术研发：加快关键器件和系统的国产化进程。

总结

高频天线技术是推动通信系统向更高频段、更大带宽演进的重要支撑，其在5G、6G、太赫兹通信等领域的应用前景广阔。我国在5G通信方面取得了显著进展，但在太赫兹通信等前沿领域仍需加大投入。高频天线技术的集成化、小型化和智能化是未来发展的主要方向，同时需解决电大尺寸设计、介质损耗、电磁兼容和PCB加工等工程难题。政策支持和产学研协作将对推动高频天线技术发展起到关键作用。