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。

一、产业界对6G新天线技术的需求与考虑

二、终端天线

三、基站天线

四、毫米波天线阵、

五、THz天线

六、龙伯透镜天线

七、智能反射面

八、轨道角动量天线阵

九、液体天线

01

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。

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。

02

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。

非毫米波手机天线

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，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。

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。

毫米波手机天线

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。

03

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。

2016年D.Manteuffel等人提出一种室内MIMO基站天线阵。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。

04

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。

文献中提出了一种用于E波段回传应用的宽带高增益平面天线阵。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。

05

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。

06

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。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。

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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。

IRS可以实现物联网（IoT）网络中各种设备的同时无线信息和功率传输。其中IRS的大口径被用来补偿远距离的功率损耗，通过对附近的物联网设备进行无源波束赋形，来提升功率传输的效率。

08

轨道角动量天线阵

提高系统的频谱资源利用率一直都是发展移动通信技术的主要目标。

移动通信蜂窝网的系统架构为复用技术提供了广阔舞台，从频分复用、时分复用、码分复用到空分复用等技术，在时域、空域或者码域内划分不同的子信道，一定程度上提高了信道传输效率，但在不拓宽频谱带宽的前提下对于频谱资源利用率的提升仍旧有限。

09

液体天线

液态天线在近些年成为了一个新的研究方向，为无线电子设备与系统天线所遇到的问题提供了潜在的解决思路。液体天线就是用液体材料代替传统的固体材料，利用液体材料作为主要辐射媒介来进行信号的发射和接收。

对于传统的固体天线，一旦结构设计好，就很难对其尺寸以及形状进行改变，从而其阻抗、极化以及辐射特性很难实时变化。而液态天线由于其流体特性，可在诸如频率、方向图、极化等方面易实现可重构。

当前对液体天线的研究，主要是集中在对海水与蒸馏水的研究，对其他液体材料的研究很少。蒸馏水在微波高频段的介质损耗比较大，研究主要集中在１GHz以内的频段，这限制了蒸馏水在高频段中的应用。

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