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透明天线助力更好的环境融入

2023-03-28 14:33:11 谢宇恒 阅读:
透明天线是天线领域的一个全新发展方向,凭借其视觉透明的效果,成为了基站天线美化的重要方法之一。

在现代移动通信系统三十多年的快速发展历程中,人们对通信的需求不断增多,对通信质量的要求也不断提高。随着移动无线通信频段越来越高,人们需要更多的天线来实现更好的信号覆盖。加之近年来移动通信基站技术迅速发展,尤其是5G基站的数量急剧增加,也更进一步拉动了对基站天线的需求。因此如今的移动通信系统不但对天线的性能提出了更高的要求,例如多频段、小型化、定向性、造型美观等,还必须能让更多的天线更好地融入环境,这也成为了亟待解决的问题。Wlzednc

透明天线有望解决融入难题

透明天线是天线领域的一个全新发展方向,凭借其视觉透明的效果,成为了基站天线美化的重要方法之一。其优点包括:Wlzednc

  • 整体透明,美观度高,安装灵活;
  • 增益、波束宽度等电气性能指标、环境可靠性指标与传统天线相当,可以保证高性能;
  • 体积小、重量轻,可以降低安装和维护成本。

根据应用场景的不同,透明天线可分为3D硬质结构和2D柔性贴膜两种类型。例如,针对室内的5G固定无线接入场景,因为基站信号穿透建筑会面临较大的衰减,可以通过在窗户玻璃内侧贴一层2D薄膜透明天线的方式,在增强信号的同时不影响窗户透光性。对于一些室外场景,比如智能汽车可能需要数十个天线来连接车联网和5G网络,所以要在车身各方向都部署天线以保障通信质量。如果在汽车玻璃上安装透明天线,不但能实现信号的增强,解决车联网中的天线难题,还不会影响车身的美观和风阻。Wlzednc

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图1:3D硬质结构和2D柔性贴膜天线(图片来源:中国移动研究院)Wlzednc

透明天线技术难点

实现天线多频段和小型化的技术当前已经十分成熟,可是对于有着光学透明要求的天线来说,传统的材料和设计方法并不适合,因此尽管透明天线的前景十分诱人,但目前透明天线的技术研究还面临一些困境。Wlzednc

与普通的传统天线类似,透明天线也包括接地层、基板和辐射贴片层。基板方面,常规的刚性基板材料有玻璃、石英、亚克力、蓝宝石等,柔性基板材料包括PEN、PDMS、尼龙、PI、PET等。辐射贴片则一般采用导电薄膜或金属网格。Wlzednc

对于透明天线来说,当前的难点主要集中于辐射贴片方面,平衡好透明度、成本与天线性能之间的关系是透明天线发展的重点。Wlzednc

对于采用导电薄膜的透明天线来说,选择合适的薄膜材料十分重要。例如,使用ITO薄膜设计的天线具有易于获得、高导电性和高透射率等优势,而其成本也相对较高。使用IZTO/Ag/IZTO薄膜设计的天线,具有高透明度、低电阻率和柔性结构,但与单层制造相比,它们的制造过程非常复杂。Wlzednc

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图2:单层Ag和多层IZTO/Ag/IZTO的天线(图片来源:IEEE)Wlzednc

对于使用金属网格技术制造的天线,在制造难度、成本和导电性方面具有多种优势,但与此同时,要想提高导电性就需要减小网格的尺寸来提高金属网格的密度,天线的透明度就会下降。Wlzednc

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图3:毫米波段的透明频率选择表面(FSS)天线(图片来源:IEEE)Wlzednc

市场趋势

在当前的研发与实践中,透明天线已经表现出不俗的潜力,大量公司正在投资该市场并积极推出创新产品进入市场。例如,2022年6月23日,日本电气硝子株式会社宣布,该公司已开发出透明天线。它由玻璃基板和中继器制成,中继器使用电波透镜,不需要电源,可用于5G毫米波无线通信技术。此外,纳米复合材料研发公司Meta Materials使用其专有的“纳米网”(NanoWeb)材料开发了透明5G天线,可用于在表面集成天线功能,同时保持车辆挡风玻璃和窗户的可见性。Wlzednc

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图4:日本电气硝子株式会社透明天线及应用场景(图片来源:日本电气硝子株式会社官网)Wlzednc

仅以汽车透明天线市场为例,根据市场调查机构Report Ocean关于全球汽车透明天线市场的报告,到2030年,全球汽车透明天线市场预计将增长到4.718亿美元,2022年到2030年预期复合年均增长率(CAGR)达7.1 %。Wlzednc

而聚焦到国内,2022年8月,中国移动研究院联合中国移动浙江公司、福建公司、山东公司、广西公司,以及京东方公司分别在杭州、福州、东营、聊城、桂林等城市开展了业界首批5G新型透明天线试点应用。Wlzednc

结论

在过去几年中,由于新材料和制造技术的出现,透明天线的发展取得了显著的进步,透明天线的应用范围也将继续不断拓展,从基站天线到可穿戴设备、智能设备、导航及新兴智慧城市项目,透明天线将不断展现其无穷的潜力。Wlzednc

本文为《电子技术设计》2023年4月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Wlzednc

责编:Franklin
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谢宇恒
原机加工行业工程师,现Aspencore编辑,专注电子,关注未来。
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