偶極子天線與光子集成電路的協(xié)同創(chuàng)新

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，偶極子天線作為最基礎(chǔ)且廣泛應(yīng)用的射頻天線類型之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方向性良好和易于集成而備受青睞。然而，隨著5G、6G以及太赫茲通信的發(fā)展，傳統(tǒng)電學(xué)天線在帶寬、功耗和集成度方面面臨瓶頸。此時(shí)，光子集成電路（PIC）的崛起為解決這些問題提供了全新路徑。

1. 偶極子天線的特性與局限

• 工作原理：偶極子天線通過電磁波輻射與接收實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)傳輸，其諧振頻率由天線長(zhǎng)度決定，通常為半波長(zhǎng)設(shè)計(jì)。
• 優(yōu)點(diǎn)：低成本、易制造、方向圖穩(wěn)定。
• 缺點(diǎn)：帶寬有限，高頻下?lián)p耗顯著；難以與高速數(shù)字電路高效集成。

2. 光子集成電路（PIC）的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

• 超大帶寬能力：基于硅基或氮化硅平臺(tái)的光子芯片可支持?jǐn)?shù)十吉赫茲甚至太赫茲頻段信號(hào)處理。
• 低功耗傳輸：光信號(hào)傳輸遠(yuǎn)低于電信號(hào)的歐姆損耗，適合高密度集成系統(tǒng)。
• 抗電磁干擾：光信號(hào)不受外部電磁場(chǎng)影響，適用于復(fù)雜電磁環(huán)境。

3. 融合方案：將偶極子天線與光子集成電路結(jié)合

近年來，研究者提出“光電混合天線”架構(gòu)，即將偶極子天線作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的前端，通過微波-光子接口將射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上，再由光子集成電路進(jìn)行高速處理與路由。例如：

• 利用熱光調(diào)制器或馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的光調(diào)制。
• 通過光纖連接將光信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)端處理單元，實(shí)現(xiàn)分布式天線系統(tǒng)。
• 在毫米波/太赫茲頻段，偶極子天線可作為光子波束成形陣列的輻射單元。

4. 應(yīng)用前景展望

該技術(shù)組合在以下領(lǐng)域具有巨大潛力：

• 未來6G移動(dòng)通信中的智能反射面（RIS）系統(tǒng)。
• 星間激光通信與地面基站之間的高速回傳鏈路。
• 車載雷達(dá)與自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)的低延遲、高精度傳感網(wǎng)絡(luò)。