近年来，随着第五代（5G）无线通信系统发展，5G网络建设和终端设备已逐步定型并步入商用阶段。同时，第六代（6G）移动通信系统已成为备受学术界和工业界瞩目的重要领域，前景广阔。与5G相比，6G可实现更快的接入速率（10～100倍以上）、更低的接入延迟、更广泛深入的通信覆盖以及更优的能量和频谱效率，使得天线和射频（RF）系统的材料、工艺、技术及形式不断演进。现阶段天线和射频系统有如下几个重要发展趋势：

1. 向高频段发展

毫米波在5G移动通信系统中不可或缺。作为6G潜在发展方向之一，星联网（IoS）为实现全时空覆盖，需要Ka与其它频段的多种天线系统的支撑。近年来，太赫兹（THz）技术愈加引起学术界和工业界的广泛关注，是国际公认的前沿技术之一。

2. 新材料、超材料应用

新材料和超材料所具有的超然特性，使天线更趋小型化，不易受干扰，性能也更优异，这是因新材料与超材料突破了传统材料难以逾越的天线理论和工程障碍。

3. 信道特性的演进

拥有新架构或新频带的天线——如三维多输入多输出（MIMO）天线阵列和毫米波/THz天线——将带来新的传波信道特性。为此，天线设计者和工程师需研究不同场景与应用中不同传输信道特性天线的性能。

4. 测量技术的变革

在5G时代，传统测量策略与方法、测试指标甚至概念可能不再适用于新的5G空口技术（OTA）。全新的测量方法和测试指标正在迅速定型且有望成为国际标准。因此，当下全面规划5G和6G天线测量技术至关重要。

可见，未来移动通信中的天线系统正面临前所未有的诸多挑战，天线系统性能的提高无疑将为提升无线通信系统的整体性能插上翅膀。

在此背景下，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》（FITEE）特组织并刊发了“后5G与6G天线系统技术演进与创新”专刊。该专刊涵盖天线、无源和有源器件及系统、传播和信道以及材料和算法等方面，频率涵盖6 GHz乃至太赫兹。专刊旨在回顾天线相关技术发展现状，明确未来发展趋势。经过严格评审，最终筛选出13篇文章，其中包括7篇综述文章、4篇研究论文以及2篇通讯文章。

超材料和超表面因其独有的电磁波调控能力而备受关注。吴瑞元和崔铁军系统总结了传统超材料的基本知识，回顾了人工表面等离激元等二维平面超材料。文章还介绍了数字编码超材料、可编程超材料和信息超材料等概念，以及微波超材料的发展前景。

超表面天线的发展为宽带和低剖面天线设计提供了有竞争力的解决方案。陈志宁等阐述了典型可调控色散的超表面天线工作原理，回顾了这类天线的最新进展。此外，通过探讨超表面天线的功能特性，展示了超表面天线技术在天线创新设计中的广阔应用前景。

作为5G技术演进的延续，6G以其高数据速率、低延迟等特点备受关注。张建华等通过分析几种新兴6G技术和应用，阐述了6G信道模型的发展趋势，展望了6G信道测量和建模的未来发展方向。

MIMO技术因其独特的优势在当前及未来通信系统中具有重要的理论意义和广阔的应用前景。高隔离度是5G终端的一项挑战技术。刘英等分析了5G终端解耦方法，展望了5G智能手机的发展趋势。

为满足数据传输速率需求，目前已成功研发出适用于大规模MIMO发射机的高能效功率放大器和线性化技术。陈文华等回顾了用于sub-6 GHz和毫米波5G大规模MIMO系统的高能效集成Doherty功率放大器单片微波集成电路和线性化技术，比较了不同半导体工艺和结构，并提出，为适应大规模MIMO系统的应用要求，需改进数字预失真技术。

随着毫米波技术的大量应用，宽带电路和系统以其优越的适用性和多功能性而备受关注。余益明和康凯通过介绍4款基于变压器的超宽带毫米波低噪声放大器、毫米波三倍频器、毫米波分频器和上变频混频器，从理论分析和实际性能角度回顾了CMOS技术的应用。

滤波天线是集滤波和辐射功能于一体的天线。章秀银等介绍了滤波天线的设计方法和3款与滤波天线技术密切相关的双频基站天线阵。由于该类天线的滤波结构与辐射器或馈线集成，故无需额外的滤波电路对天线进行滤波。滤波天线固有的滤波性能可降低工作在不同频段天线之间的互耦。实验表明，部分方法已经可应用于工业生产。

面对不同应用场景，姚远等提出了可灵活设计的60 GHz毫米波天线阵列。通过改变天线阵的辐射部分，可将天线阵调整为线极化或圆极化。采用低插损的馈电网络和宽带天线单元，可实现高增益、宽带及高效率。结果表明，线极化和圆极化天线阵列均具有良好的辐射性能。

为实现罗特曼透镜的小型化，孙保华等介绍了切比雪夫阻抗变换器、功率分配器和带有功率分配缝隙的截断端口等3种技术。研究表明，采用所提出的带功率分配缝隙的截断透镜端口实现罗特曼透镜小型化是一项可靠技术。此外，小型化罗特曼透镜还可用于实现多波束和波束赋形。

焦永昌等设计了大型双极化微带反射阵。通过离散快速傅里叶变换（DFFT）与逆DFFT，建立了孔径分布与远场的一一对应关系。同时，基于迭代投影的交集法可求出各单元在工作频带内某些采样频率下的期望反射相位，进而提出了一种新型求取合适初始解方法，可避免落入不必要的局部极小点。例如，拥有25 305个元素的双波段、双谐振微带反射阵列，可覆盖整个中国大陆。仿真结果表明，反射阵列的方向图在两个工作波段均满足对中国大陆的覆盖要求，设计复杂方向图的大型反射阵列的优化方法可靠且高效。

李连鸣等提出了基于封装天线技术的60 GHz宽带小型化超表面天线。通过高介电常数玻璃基片实现天线小型化。该设计可通过支持TM10模式和反相TM20模式来增大天线带宽，进而可有效提高天线性能。

程勇等提出了一种5G便携式终端双模MIMO天线，通过单极子天线和缝隙天线交错排列方式来提高隔离度。测量与仿真结果吻合良好。提出的天线单元具有宽带和高效率特点，有望成为5G无线通信终端天线的候选方案之一。

5G技术演进推动了天线系统创新。高峰等阐述了通信系统与移动通信系统的未来发展及其对天线系统要求的演变历程，明确了对5G天线系统的要求。还提出了大规模MIMO天线的加权优化方法，并取得了满意的数值仿真结果。

本期专刊涵盖未来移动通信系统有关天线的多个主题，包括天线、天线阵列、超材料和新材料在天线系统中的应用、无源和有源网络与收发机、电波传播和信道建模以及大规模MIMO优化算法，我们期望该专刊对无线通信、天线设计及相关领域的发展有所裨益。

最后，衷心感谢各位作者、审稿人、编辑等为本期专刊出版做出的贡献，感谢中国天线系统产业联盟李永波、何爱芬，感谢刘英、张建华、胡伟东、编辑部，感谢主编潘云鹤院士、卢锡城院士。

由于对电磁波强大的调控能力，超材料和超表面吸引了越来越多研究者的关注。本文回顾总结近年来电磁超材料的发展，从最初的新物理现象到现在的新信息系统。首先展示等效媒质超材料的定义和应用，包括隐身衣和超材料透镜等。随后介绍二维超材料，即电磁超表面，对空间波和表面波的调控功能，同时概述表面等离子激元及其在微波段的应用。在此基础上，着重介绍新颖的数字编码超材料和可编程超材料，统称信息超材料。通过将理论层的信息科学与物理层的超材料设计联系在一起，实现一系列新型器件和系统，同时实现信息和电磁波调控。最后，对超材料的未来发展做出展望。

超构表面支持传播导波和表面波，并表现出新颖的色散特性。通过调控其独特的色散特性、设置特殊的边界条件以及选用合适的激励机制，低剖面的超构表面天线也能激励起多个邻近的谐振模式以实现宽带定向辐射。本文首先介绍3类典型宽带低剖面色散可调超构表面天线及其工作原理，接着详细综述色散可调超构表面天线技术的研究进展，重点讨论小型化、圆极化、波束扫描等应用设计。这种新近发展的色散可调超构表面技术，不仅能为宽带低剖面天线设计提供解决方案，更显示其在新型天线技术研发中的巨大潜力。

随着5G在全球范围内商业化进程的推进，为满足未来更高速率、更低延迟和新业务的需求，面向6G的研究已经启动。无线信道是收发两端信息传输媒介，无线信道的特性决定了无线通信系统的性能限。因此，开展信道研究是设计6G无线通信系统的前提。本文首先介绍了6G可能出现的技术和应用，包括太赫兹通信、工业互联网、空天地一体化网络和机器学习，并指出6G信道模型的发展趋势。其次，针对这些技术和应用，综述了目前信道测量与建模的研究进展。最后，展望了未来面向6G的信道测量与建模。

提出一种面向微纳卫星的自主汽化管理液氨推进系统。相比常规冷气或液化气推进系统，提出多路平行筛孔式汽化装置和对应汽化控制方法。所提方案有效解决了液氨高汽化潜热和不易完全汽化的问题，从而发挥液氨推进剂高贮存密度和高比冲性能优势。此外，重点分析自主汽化管理液氨推进系统的工作流程及其涉及的物理化学过程和数学模型。综合考虑推力表现和能源效率，提出最优系统推力控制策略。地面测试表明，自主汽化管理液氨推进系统总重1.8 kg（包含0.34 kg液氨推进剂），比冲达到100 s，系统功耗在10 W以下。自主汽化管理液氨推进系统具有高比冲、低功耗、可实现性强、推力输出均一稳定等特点，适合微纳卫星在轨应用。

为适应数据传输速率的爆炸性增长以及大规模多输入多输出（mMIMO）技术的应用，业界开发了高效率功率放大器（PA）和相关线性化技术。本文根据5G系统的两个核心频段——sub-6 GHz和毫米波（mmWave）——的特点，对高效率集成化的Doherty功放单片微波集成电路（MMIC）和线性化技术进行了综述，比较和分析了不同半导体工艺和架构下的高效功放设计思路。由于5G协议尚未最终确定，大规模MIMO系统中的功放规范仍在考虑中，有必要研究新的设计方法以进一步提高其效率和线性性能。此外，数字预失真线性化技术需要发展，以适应大规模MIMO系统，并且需要一些创新的线性增强技术来同时提高补偿精度和降低功耗。

近年来，由于大量毫米波无线应用的产生，具有更强通用性的宽带毫米波电路和系统引起广泛关注。总结了4种基于片上变压器结构超宽带毫米波电路的理论分析、设计方法和综合性能。其一为毫米波低噪声放大器，采用基于变压器的跨导增强和极点调谐技术；通过采用这两种技术，该电路同时实现了较大工作带宽、低噪声系数和良好功率增益。其二为毫米波注入锁定三倍频器，采用注入电流增强技术，有效拓展了倍频器的锁定带宽。进一步，采用类似注入锁定技术结合变压器高阶谐振腔方案，实现了一款超宽带毫米波注入锁定分频器。最后，介绍了一款E波段上混频器，其采用两路跨导并联结构和基于变压器的多极点负载，实现了优异线性度和较大工作带宽。

滤波天线兼具滤波和辐射功能，可用于减少不同频带、距离较近的天线单元间的异频耦合。本文回顾论文作者提出的几款滤波天线和3个相关的双频基站天线阵列作为应用示例。滤波天线设计包括单极化和双极化滤波贴片天线、单极化全向滤波偶极子天线及用于基站的双极化滤波偶极子天线。不同于其他天线，本文中的滤波天线是具有消除多余滤波电路的创新概念。对于每种设计，滤波结构都与辐射体或馈电线良好集成。故提出的设计具有尺寸紧凑、结构简单、带内辐射性能良好、损耗低的优点，且不包含复杂滤波电路。基于提出的滤波天线，已开发出单极化和双极化双频天线阵列。利用滤波天线自身的频率选择功能，可有效降低不同频段天线单元间的异频互耦。相比于典型工业产品，双频阵列性能更佳。一些提出的技术已实现产业化应用。

提出一种适用于60 GHz应用且具有灵活设计的毫米波天线阵列。通过简单地改变天线阵列的辐射部分，可将天线阵列调整为线极化或圆极化。通过采用低插入损耗馈电网络和宽带天线单元，可实现高增益、宽带和高辐射效率特性。对于线性极化天线阵列，仿真结果表明，2×2天线子阵列的阻抗带宽达到21.6%，最大增益达到15.1 dBi，并且在工作带宽内波动小于0.4 dBi。对于8×8线极化天线阵列，仿真结果显示带宽为21.6%，增益为（26.1±1） dBi，天线效率超过80%。对于8×8圆极化天线阵列，仿真结果表明，阻抗带宽为18.2%，轴比（AR）带宽为13.3%。增益和效率分别达到27.6 dBi和80%。同时进行了天线阵列实物加工测试，并比较和分析结果。

罗特曼透镜是一种具有实时延迟特性、多波束性能和宽带等优点的波束成形网络，在当今无线通信系统中得到广泛应用。然而，在无线通信系统中，传统罗特曼透镜尺寸相当大，可能会影响其与基站天线的集成。介绍3种微型化罗特曼透镜技术（切比雪夫阻抗变换器、功率分配器和带能量分配槽的截断端口）设计透镜，减小端口尺寸，从而减小罗特曼透镜所占总面积。仿真和测量结果表明，该方法可实现透镜主体与馈线之间良好的阻抗匹配。利用该带能量分配槽的截断端口，可大大减小罗特曼透镜尺寸，同时不降低透镜性能或增加生产成本。此外，研究了该微型罗特曼透镜在无线通信系统中两种可能的应用。罗特曼透镜不仅可沿阵列端口提供多个相位差信号实现多波束，还可生成平顶辐射等高性能成形波束。

设计了一款具有中国版图赋形的大型双频双极化微带反射阵天线。为充分补偿两个频段范围内的空间相位延迟差，采用一种适用于大型双极化反射阵的3层矩形贴片单元。由于赋形区域形状复杂、赋形增益要求很高，该反射阵天线单元数量超过25 000个，优化变量数超过150 000个，导致其设计非常困难。本文首先通过离散快速傅里叶变换及其逆变换建立口径场和远场的一一对应关系，为赋形反射阵天线的优化奠定基础。进而采用基于交替投影的交集方法，优化获得多个典型频率下所有单元的目标反射相位。为避免优化过程陷入局部极值点，采用一种产生合适初始解的新方法。为验证设计方法的有效性，制作了一个7569单元的双极化反射阵天线并进行实验测试。测试与仿真结果吻合良好。为使宽带工作的大型反射阵天线带宽范围的空间相位延迟极小化，提出一种确定馈源最佳位置的方法。为在两个相互正交方向上同时找到单元的最优尺寸，建立一种新的优化模型，通过正多面体优化方法进行优化计算。最后，设计了一款覆盖中国陆地版图的单元数为25 305的双频双极化微带反射阵天线。仿真结果表明，该反射阵天线在两个工作频带范围内均可满足中国版图覆盖要求，证明所提出的复杂赋形波束大型反射阵天线优化设计方法可靠和有效。

提出一种面向封装天线应用的60-GHz小型化宽带超表面天线。基于玻璃集成无源器件制造技术，采用共面波导馈电环形谐振器表征玻璃基板的材料特性。该天线于高介电常数玻璃基板上设计以实现天线小型化。在TM₁₀模式下，贴片单元之间的间隙使该天线贴片辐射孔径得以减小。该天线在结构上采用共面波导馈电，进而激励蝶形缝隙，最终耦合激励位于天线上表面的超表面贴片。该天线可同时支持TM₁₀模和反相TM₂₀模，从而提升带宽性能。经过设计、优化及加工，该天线的辐射贴片尺寸为0.31λ₀×0.31λ₀，厚度为0.06λ₀。采用基于探针结构的天线测量装置完成该天线测试，测试结果显示天线带宽为53.3～67 GHz。在60 GHz频点处，该天线增益测量值约为5 dBi。

提出一种用于便携式终端的多输入多输出（MIMO）天线。手持终端天线的工作频带为5G（3.4–3.8 GHz）和WLAN（5.150–5.925 GHz）。5G和WLAN频段的天线单元交错放置，尽量保证同频单元间距离较远，以减少天线元件间的耦合。所有天线元件回波损耗均大于6 dB。所有元件间隔离度大于14 dB。高频天线辐射效率大于50%，低频天线辐射效率大于40%。所有元件远场增益大于2.2 dBi。

介绍第一代（1G）到第五代（5G）移动通信系统及其天线系统的基本概念、背景和发展历程。阐明5G组网和天线系统优化要求，并介绍三维阵列天线基本原理。提出大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列权值优化方法，并进行仿真验证。最后，提出解决5G天线系统功耗问题的几点建议。