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。
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：
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。
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)
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。
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。
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。
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。
图2：单层Ag和多层IZTO/Ag/IZTO的天线(图片来源：IEEE)
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。
图3：毫米波段的透明频率选择表面(FSS)天线(图片来源：IEEE)
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。
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)
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 %。
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。
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。
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。
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