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一个“洋葱球”引发的天线革命
作者:张麟 2024-05-31

超材料正处于多元化应用前夕。


作者|爬云

编辑|王博


你知道手机为什么在高速、高铁、隧道、体育馆、车站等场所里就会信号不好吗?


你可能会想到:网络流量限制、区域用户过于集中、基站建设受限等原因。但你或许没有想到,最常见也最不起眼的天线在这里扮演着极其重要的角色。


天线,是无线网络信号在终端与终端间的出入口,是无线通信的关键设备,其性能优劣在很大程度上决定了通信效果的好坏。


近期,「甲子光年」关注到,一个依托新一代电磁功能超材料技术诞生的“洋葱球”形状的龙勃透镜天线,正悄然引发着一场浩大的天线革命。


1.5G网络的迭代


中国是世界上5G技术发展最快的国家之一。工信部数据显示,截至2023年底,我国5G基站总数达337.7万个,5G移动电话用户达8.05亿户,建成了全球规模最大的5G通信网络。


但即使是这种程度的网络建设,5G也没有达到“令人舒适”的好用程度。尤其是在纵深覆盖和进一步的高速率、低延迟的表现上,当前的5G网络表现有些力不从心。


这个问题的根源,有很大一部分原因是出在天线上。


目前通信基站普遍使用的天线,是一种非常传统的板状天线。其结构是由振子阵列加馈电网络构成的,原理是通过多个振子构成的阵列提升信号增益,增益的大小完全取决于振子的数量,而且网络损耗较大、波束旁瓣较难抑制。

板状天线,图片来源:摄图网

板状天线虽然是当前通信领域使用的主流天线,但其在性能指标的提升空间上基本已达上限,无法满足持续爆发式增长的网络流量需求。


这就是为什么,即使拥有5G网络,即使你的手机配置再高,也仍然面临在高铁上没信号的尴尬;或者在一场大型演唱会上,你的手机无法流畅的随手发出一条朋友圈。


那么,能不能多建设一些基站或者增加几座通信铁塔?理论上肯定是可以的,但这也意味着将需要投入巨大的建设成本和工程耗时。


而且,随着通信频段的不断叠加,基站的天面空间已经非常紧张,容不下太多的天线了。此外,工信部也对基础电信企业的运营提出了要求,明确表示基础电信企业应充分利用存量铁塔资源承接站址需求,原则上同址不委托新建铁塔。


铁塔和天线都不再可能无节制的增加了,但时代对更高通量更强信号的网络需求与日俱增,这个矛盾创造出了巨大的市场机会。


谁能解决这个矛盾点?


基于新一代电磁功能超材料技术诞生的形似“洋葱球”的龙勃透镜天线给出了一个令人惊喜的答案。


龙勃透镜(Luneburg lens)最早是1944年由数学家鲁道夫·卡尔·卢纳伯格(Rudolf Karl Lüneburg)提出的。龙勃,也就是卢纳伯格。


这种透镜的独特之处在于它是一个完整的球形结构,与传统的凸透镜或凹透镜不同,它可以将入射的特定波长的电磁波汇聚,汇聚到球面上的某一个点。同样的,它也可以将电磁波沿着原方向反射回去。

龙勃透镜原理示意图,图片来源:@meyavuz

龙勃透镜天线本质上是利用了龙勃透镜多层介质的折射特性,对天线波束进行特定赋形,它的结构就像一个洋葱球,由透镜加馈源振子构成,能将单个馈源通过透镜形成窄波束并提升信号的增益,具有低损耗、高增益、轻体量、覆盖精准的特性。


与板状天线相比,在相同增益下,龙勃透镜天线网络信号覆盖面积更大,基站容量提升率更高,站点建设投入更少,能耗更低,具有降本增效、绿色节能的重要意义。


龙勃透镜天线在高铁、大桥、隧道等线性场景,体育场馆、车站、高校、医院、商场等密集复杂场景,海域、空域超远距离覆盖场景的快速扩容方面表现尤为突出。


2019年,工信部正式发放5G牌照,批准四家企业经营“第五代数字蜂窝移动通信业务”,标志着我国正式进入5G商用元年。


在此之后,龙勃透镜天线正式进入中国移动的采购视野,并成功获得了中国移动基站天线一级集采的项目中标。其后,陆续成为中国联通、中国电信、中国铁塔等多个集采招标的重要组成项目。


而在这场悄然发生的技术变革中,一家来自广东佛山的公司吸引了业界的关注。


2.超材料的现实主义


佛山市三水区,气候温暖湿润,是华南地区通信天线产业的“发源地”,也是中国通信天线制造企业最集中的县域地区。


佛山市粤海信通讯有限公司(以下简称“粤海信”)就坐落在此,一座灰色的多层建筑并不太起眼,甚至很难让人将其和高科技产业联系起来。但根据《通信产业报》的报道,2022年,粤海信的龙勃透镜天线在中国移动一级集采项目中初露锋芒。在《中国移动通信联合会》2023年的信息发布中,粤海信的龙勃透镜天线在全国同行业细分市场同样获得了可观的市场占有率。

佛山市粤海信通讯有限公司,图片来源:粤海信

粤海信在近几年陆续荣获“国家级高新技术企业”“国家级知识产权优势企业”“国家级专精特新小巨人企业”等荣誉资质,并在2022年入选了“奋进新时代”主题成就展。

粤海信获得的荣誉奖项(左),龙勃透镜天线产品在“奋进新时代”主题成就展展出(右),来源:粤海信

为什么这样一家名不见经传的民营企业会在龙勃透镜天线上取得如此耀眼的成绩?


粤海信创始人李静告诉「甲子光年」:“粤海信的核心技术是电磁材料技术,我们是率先掌握了实现电磁功能超材料的能力,才获得了龙勃透镜规模化商用的核心技术。”


龙勃透镜原理在1944年被提出,但长久以来没有被大规模应用起来,最大的原因就是透镜材料技术瓶颈迟迟无法攻破。


要想让龙勃透镜发挥功能,其材料必须让电磁波穿过时发生特定变形,这就意味着龙勃球透镜每一层材料的介电常数都必须不同,且要实现梯度变化。


一般来说,在龙勃透镜无限靠近表面的部分,选择材料的介电常数为1(即与空气的介电常数一样)。而在透镜中间的部分,选择材料的介电常数为2,介电常数的变化要遵循位置函数。


但在自然界中并未找到符合龙勃透镜技术制作要求的天然材料,无法将龙勃透镜的设计原理转化为现实产品。而粤海信所研发出的电磁功能超材料,正是其能够突破技术与工艺壁垒,实现龙勃透镜天线量产化的核心原因所在。


李静曾公开表示:“龙勃透镜技术难点主要是球的渐变折射率和介电常数的稳定性。我们团队研究低介电常数、低损耗电磁功能超材料,用固体电解质理论,深入研究了几十种导体和半导体材料的性能,不断优化材料配比和结构,分析材料成分和介电常数、磁导率间的对应关系,用等效媒质理论将晶格结构与电磁场激励响应相结合,经过近万次的仿真试验,最终才实现了对电磁波传输方向和能量大小的控制。”

龙勃透镜天线材料示意,图片来源:粤海信

就技术而言,控制材料的介电常数可以采用钻孔、发泡、3D打印、多种材料复合的方法,其中发泡法容易出现均匀性不达标,材料极化效果不好等情况,在制造工艺上存在技术难点。


而粤海信采用了复合发泡颗粒控制介电常数法,以多种独特的改性金属氧化物、精密的微纳结构为基础高分子材料为架构,通过优化材料配比和微分子结构排列方式,使电磁功能超材料表现出了特殊的光电性质和力学特性。


通过技术攻关,粤海信能够将用于制造龙勃透镜的电磁功能超材料的介电常数在1-2间连续变化,且材料的介电常数精度非常高,能够达到±0.05。


李静对「甲子光年」说到:“仅仅是材料的介电常数,粤海信就拥有很大的技术优势,这个指标是很多公司实现不了的。”


在极小的介电常数范围区间内设置几十种不同指标的材料,带来的优势就是其频率满足了从低频至超高频的需求。


同时粤海信还解决了材料重量的问题,使其能够与泡沫相似,直径400mm的材料重量仅为1.5kg,这能够让最终的龙勃透镜天线实现极致轻盈。


目前,粤海信自主研发的电磁功能超材料近60种,不仅能够支撑目前龙勃透镜制造的需求,同时还为下一代天线进行了技术布局。


据了解,粤海信目前1G—18G频段龙勃透镜已经实现量产,18G—40G频段的龙勃透镜也在研发中。此外,粤海信还在打造柱形透镜、矩形透镜等多种透镜形态,满足多样化、多场景的市场需求。

粤海信龙勃透镜天线产品,图片来源:粤海信

目前中国开展龙勃透镜天线产品研发的企业包括粤海信、大洋微波、西安海天等。粤海信通过大批量产品的多场景应用与市场推广,加速了龙勃透镜天线的普及速度。目前其已经超过4万面龙勃透镜天线投入商用。

龙勃透镜天线真实应用案例,贵州鸭池河大桥(左),图片来源:微纪录片《山海长虹——贵州桥梁博物馆》;山东烟台海域(右),图片来源:粤海信


从新技术商业化的市场规律来看,经过近五年的技术验证、市场培育、产品完善,龙勃透镜天线预计在2025年将进入爆发式增长期。


3.新网络时代的未来


随着通信技术的飞速发展,从2G到5G,再到即将到来的6G时代,天线技术作为无线通信的核心组件,始终扮演着至关重要的角色。在众多天线类型中,龙勃透镜天线凭借其独特的性能和优势,正逐渐成为无线通信新时代的未来之星。


随着5G通信网络的普及和6G通信技术的研发,通信领域对高性能天线的需求日益旺盛。龙勃透镜天线凭借其卓越的性能,将成为5G/6G通信网络部署中的关键组件。无论是在城市密集区域还是偏远地区,龙勃透镜天线都能提供稳定的通信服务,满足不断增长的数据传输需求。通过搭载龙勃透镜天线,卫星可以实现更广泛的覆盖范围、更高的数据传输速率和更低的延迟。


在高铁等高速运动场景下,通信信号的稳定性和传输效率至关重要。龙勃透镜天线以其高增益和窄波束特性,能够有效地提升信号传输效率,为移动通信提供更稳定、更快速的连接。同时,在自动驾驶领域,龙勃透镜天线可以提供高精度定位、低延迟通信等关键功能,确保自动驾驶车辆的安全性和可靠性。


在国防安全领域,龙勃透镜天线由于其球体特征,可以将入射的特定波长的电磁波汇聚,或者将电磁波沿着原方向反射回去。这一特性使得龙勃透镜可被广泛用于雷达反射器、隐身飞机等特殊场景。通过搭载龙勃透镜天线,雷达系统可以实现更远的探测距离、更高的分辨率和更低的干扰性。


由于龙勃透镜天线支持超宽频率范围,可以应用于大规模应急通信保障。在自然灾害或其他紧急情况下,龙勃透镜天线能够快速部署并提供稳定的通信服务,保障信息的畅通无阻。


而龙勃透镜天线之所以能在如此之多的场景中得到广泛而灵活的应用,是因为粤海信对电磁超材料的十几年如一日的持续研发。某种程度上说,天线的性能直接受天线材料的影响,这里的性能不单指信号处理的能力,还涉及到天线形态以及抗弯曲、起皱、拉伸等适应恶劣环境的能力。


而粤海信通过研发多种不同介电常数的超材料,能够使天线在不同形态和环境下都拥有良好的通信性能,确保通信的连续性和可靠性,这将为粤海信打开更广阔的市场。当前,粤海信在技术储备方面已经从通信领域延伸至低空通信、智能穿戴、军工领域。从市场发展而言,超材料正处于多元化应用前夕。


2023年工业和信息化部、国务院国资委联合印发的《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》指出,“前沿材料代表新材料产业发展的方向与趋势,具有先导性、引领性和颠覆性,是构建新的增长引擎的重要切入点”。超材料产业或将成为我国经济发展的重要引擎。


同时,2023年底召开的中央经济工作会议明确提出,要以科技创新推动产业创新,特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能,发展新质生产力。而包括材料行业、通信行业在内的多个科技产业,一定将成为发展新质生产力的主阵地。


目前市场上的通信企业几乎都在进行电磁功能超材料领域的布局。前瞻研究院报告显示,2010-2023年,投资领域全部集中在电磁功能超材料技术领域,其中融资轮次主要为IPO及定向增发。据悉,粤海信已经完成了清控银杏和司南芯海的Pre-A轮融资。


伴随着市场的需求、技术的成熟,基于新一代电磁功能超材料的多元化应用将逐步渗透到更多领域和场景,实现产业赋能,创造新的经济活力。


(封面图素材来源摄图网、粤海信,由「甲子光年」PS制作)



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