1. Pinching-Antenna系统(PASS)技术解析下一代无线网络的革命性天线架构在5G商用规模持续扩大的当下业界对下一代无线网络的期待已不仅限于更高的传输速率。作为突破传统天线设计桎梏的创新方案Pinching-Antenna系统(PASS)通过其独特的柔性波导架构正在重新定义无线通信的物理层基础。这项源自NTT DOCOMO实验室的前沿技术巧妙地将波导传播的稳定性与自由空间辐射的灵活性相结合为6G时代的高频段通信、大规模物联网连接以及高精度环境感知提供了全新可能。1.1 PASS的核心设计理念与架构创新PASS系统的核心突破在于其可重构传播通道的设计哲学。与传统固定位置的天线阵列不同PASS由三个关键组件构成低损耗波导、可移动夹持天线(PA)以及智能控制系统。波导作为信号传输的主干道其衰减系数可低至0.1dB/m28GHz频段使得信号能够以极低损耗传输数十米距离。而分布在波导上的PA节点则扮演着信号阀门的角色通过机械或电子方式控制电磁能量的辐射比例。这种架构带来了三大革命性优势传播环境主动塑造通过调节PA的位置和数量系统可以动态创建最优的视距(LoS)链路。实测数据显示在28GHz毫米波频段PASS可将非视距(NLoS)场景下的信道容量提升3-5倍。近场效应利用当工作频率升至太赫兹频段时PA的密集部署可使天线口径达到数百波长从而产生显著的近场聚焦效应。这种电磁透镜特性使得能量能够精准聚焦于用户设备而非传统的大范围波束覆盖。硬件成本优化单个波导可支持数十个PA节点相比传统大规模MIMO系统射频链路数量可减少80%以上。东京大学的原型系统验证表明在保持相同频谱效率的前提下PASS的硬件成本仅为传统阵列的1/3。2. PASS的物理实现从理论模型到硬件设计2.1 信号传播的双阶段模型PASS的信号传输遵循明确的物理分层机制。如图2所示完整的通信链路包含两个关键阶段波导内传播阶段 信号在介质波导中的传播常数γ_gα_gjβ_g其中衰减系数α_g与波导材料的损耗角正切值直接相关。对于常见的聚四氟乙烯(PTFE)材料在28GHz频段下α_g≈0.03-0.05Np/m。相位常数β_g2π/λ_g其中λ_gλ_0/√(ε_r - (λ_0/λ_c)^2)λ_c为波导截止波长。这种色散特性使得不同频段的信号在波导中呈现差异化的传播行为。自由空间辐射阶段 PA节点的辐射效率由耦合系数κ和方向图函数ρ(θ,φ)共同决定。对于小型介质散射体(SDS)模型κ通常仅为5%-15%而定向耦合波导(DCW)模型则可达30%-50%。辐射方向性方面DCW模型通过设计耦合区域长度L_c可实现波束宽度在30°-120°范围内的精确控制满足不同场景的覆盖需求。2.2 硬件实现的两大技术路线小型介质散射体(SDS)方案 作为最简易的实现方式SDS采用介电常数突变的物理结构如陶瓷或聚合物尖锥扰动波导的消逝场。大阪大学开发的三角形Pyramid散射体仅3mm高度却能在60GHz频段实现12%的耦合效率。这种方案的突出优势在于模块化设计单个PA重量不足1克即插即用安装/移除时间0.5秒成本低廉单价可控制在$0.5以下定向耦合波导(DCW)方案 针对高性能应用DCW通过精密加工的平行波导结构实现可控能量耦合。关键参数耦合系数κ与两波导间距d满足κ≈A·exp(-γd)其中A为材料相关常数。爱立信实验室的样机显示当dλ_0/4时κ可达45%且方向图前后比优于15dB。这种方案的工程挑战主要在于亚毫米级装配精度要求温度变化导致的尺寸稳定性问题多PA协同时的互耦效应3. PASS的系统级优化与性能突破3.1 波束成形新范式位置-相位联合优化PASS引入了全新的夹持波束成形(Pinching Beamforming)概念。与传统数字波束成形不同其自由度来自PA节点的物理位置调整。考虑N个PA节点的系统最优位置求解可建模为max_{L_n,R_n} |∑_{n1}^N h_n|^2 s.t. L_min ≤ L_n ≤ L_max R_n ≥ R_min其中L_n为波导内传播距离R_n为自由空间传播距离。清华大学的实验证明在10m×10m室内场景中通过遗传算法优化的PA布局可使接收信噪比(SNR)提升8-12dB。3.2 机器学习赋能的智能配置PA节点的动态特性使得传统信道估计方法面临挑战。深度强化学习(DRL)框架在此展现出独特优势状态空间用户位置、环境散射体分布动作空间PA位置/激活状态奖励函数信道容量或能效指标NTT的现场试验表明基于DQN的智能控制系统可在200次迭代内收敛至最优配置响应时间100ms。更先进的GNN架构还能捕捉PA节点间的拓扑关系在复杂多用户场景下实现90%以上的理想容量达成率。4. 典型应用场景与性能验证4.1 毫米波室内覆盖增强在28GHz频段的办公室环境中传统固定天线阵列的NLoS区域覆盖率通常不足60%。采用PASS系统后通过沿天花板周界部署20m波导和15个PA节点动态创建3-5条LoS路径实测覆盖率提升至98%边缘用户速率提高4倍4.2 太赫兹工业物联网在汽车制造厂的机器人控制场景中PASS解决了太赫兹信号的穿透损耗问题使用柔性波导沿生产线布置每2m设置一个PA节点实现1m精度级的设备定位端到端时延0.5ms4.3 动态可重构智能表面将PASS与RIS技术融合可创建混合型智能表面波导网格作为馈电网络PA节点作为有源辐射单元RIS单元提供无源波前调控系统重构时间缩短至毫秒级5. 工程实践中的挑战与解决方案5.1 多PA耦合效应管理当单波导上PA数量超过10个时互耦效应会导致明显的性能退化。有效的抑制措施包括分段波导设计每5-8个PA设置独立馈电点频分复用不同PA组工作于稍偏频点自适应阻抗匹配基于史密斯圆图的实时调谐5.2 环境适应性提升温度变化和机械振动会影响波导性能。工程实践中采用复合材料波导热膨胀系数5ppm/°C弹性固定机构允许±2mm位移容差在线监测系统VSWR实时预警5.3 标准化进展目前IEEE 802.15.3d工作组已开始讨论PASS的标准化框架重点关注波导接口规范物理尺寸/阻抗PA控制协议位置/状态指令集性能评估指标等效全向辐射功率从实验室原型到商业部署PASS技术仍需在可靠性验证、成本控制和生态系统建设等方面持续突破。但随着6G研发进程的加速这种融合了波导物理与无线通信的创新架构必将为未来网络带来更多可能性。对于通信工程师而言掌握PASS的核心原理和设计方法将是面向下一代无线系统的重要技术储备。
PASS技术：下一代无线网络的天线架构革命
发布时间：2026/7/4 9:31:13
1. Pinching-Antenna系统(PASS)技术解析下一代无线网络的革命性天线架构在5G商用规模持续扩大的当下业界对下一代无线网络的期待已不仅限于更高的传输速率。作为突破传统天线设计桎梏的创新方案Pinching-Antenna系统(PASS)通过其独特的柔性波导架构正在重新定义无线通信的物理层基础。这项源自NTT DOCOMO实验室的前沿技术巧妙地将波导传播的稳定性与自由空间辐射的灵活性相结合为6G时代的高频段通信、大规模物联网连接以及高精度环境感知提供了全新可能。1.1 PASS的核心设计理念与架构创新PASS系统的核心突破在于其可重构传播通道的设计哲学。与传统固定位置的天线阵列不同PASS由三个关键组件构成低损耗波导、可移动夹持天线(PA)以及智能控制系统。波导作为信号传输的主干道其衰减系数可低至0.1dB/m28GHz频段使得信号能够以极低损耗传输数十米距离。而分布在波导上的PA节点则扮演着信号阀门的角色通过机械或电子方式控制电磁能量的辐射比例。这种架构带来了三大革命性优势传播环境主动塑造通过调节PA的位置和数量系统可以动态创建最优的视距(LoS)链路。实测数据显示在28GHz毫米波频段PASS可将非视距(NLoS)场景下的信道容量提升3-5倍。近场效应利用当工作频率升至太赫兹频段时PA的密集部署可使天线口径达到数百波长从而产生显著的近场聚焦效应。这种电磁透镜特性使得能量能够精准聚焦于用户设备而非传统的大范围波束覆盖。硬件成本优化单个波导可支持数十个PA节点相比传统大规模MIMO系统射频链路数量可减少80%以上。东京大学的原型系统验证表明在保持相同频谱效率的前提下PASS的硬件成本仅为传统阵列的1/3。2. PASS的物理实现从理论模型到硬件设计2.1 信号传播的双阶段模型PASS的信号传输遵循明确的物理分层机制。如图2所示完整的通信链路包含两个关键阶段波导内传播阶段 信号在介质波导中的传播常数γ_gα_gjβ_g其中衰减系数α_g与波导材料的损耗角正切值直接相关。对于常见的聚四氟乙烯(PTFE)材料在28GHz频段下α_g≈0.03-0.05Np/m。相位常数β_g2π/λ_g其中λ_gλ_0/√(ε_r - (λ_0/λ_c)^2)λ_c为波导截止波长。这种色散特性使得不同频段的信号在波导中呈现差异化的传播行为。自由空间辐射阶段 PA节点的辐射效率由耦合系数κ和方向图函数ρ(θ,φ)共同决定。对于小型介质散射体(SDS)模型κ通常仅为5%-15%而定向耦合波导(DCW)模型则可达30%-50%。辐射方向性方面DCW模型通过设计耦合区域长度L_c可实现波束宽度在30°-120°范围内的精确控制满足不同场景的覆盖需求。2.2 硬件实现的两大技术路线小型介质散射体(SDS)方案 作为最简易的实现方式SDS采用介电常数突变的物理结构如陶瓷或聚合物尖锥扰动波导的消逝场。大阪大学开发的三角形Pyramid散射体仅3mm高度却能在60GHz频段实现12%的耦合效率。这种方案的突出优势在于模块化设计单个PA重量不足1克即插即用安装/移除时间0.5秒成本低廉单价可控制在$0.5以下定向耦合波导(DCW)方案 针对高性能应用DCW通过精密加工的平行波导结构实现可控能量耦合。关键参数耦合系数κ与两波导间距d满足κ≈A·exp(-γd)其中A为材料相关常数。爱立信实验室的样机显示当dλ_0/4时κ可达45%且方向图前后比优于15dB。这种方案的工程挑战主要在于亚毫米级装配精度要求温度变化导致的尺寸稳定性问题多PA协同时的互耦效应3. PASS的系统级优化与性能突破3.1 波束成形新范式位置-相位联合优化PASS引入了全新的夹持波束成形(Pinching Beamforming)概念。与传统数字波束成形不同其自由度来自PA节点的物理位置调整。考虑N个PA节点的系统最优位置求解可建模为max_{L_n,R_n} |∑_{n1}^N h_n|^2 s.t. L_min ≤ L_n ≤ L_max R_n ≥ R_min其中L_n为波导内传播距离R_n为自由空间传播距离。清华大学的实验证明在10m×10m室内场景中通过遗传算法优化的PA布局可使接收信噪比(SNR)提升8-12dB。3.2 机器学习赋能的智能配置PA节点的动态特性使得传统信道估计方法面临挑战。深度强化学习(DRL)框架在此展现出独特优势状态空间用户位置、环境散射体分布动作空间PA位置/激活状态奖励函数信道容量或能效指标NTT的现场试验表明基于DQN的智能控制系统可在200次迭代内收敛至最优配置响应时间100ms。更先进的GNN架构还能捕捉PA节点间的拓扑关系在复杂多用户场景下实现90%以上的理想容量达成率。4. 典型应用场景与性能验证4.1 毫米波室内覆盖增强在28GHz频段的办公室环境中传统固定天线阵列的NLoS区域覆盖率通常不足60%。采用PASS系统后通过沿天花板周界部署20m波导和15个PA节点动态创建3-5条LoS路径实测覆盖率提升至98%边缘用户速率提高4倍4.2 太赫兹工业物联网在汽车制造厂的机器人控制场景中PASS解决了太赫兹信号的穿透损耗问题使用柔性波导沿生产线布置每2m设置一个PA节点实现1m精度级的设备定位端到端时延0.5ms4.3 动态可重构智能表面将PASS与RIS技术融合可创建混合型智能表面波导网格作为馈电网络PA节点作为有源辐射单元RIS单元提供无源波前调控系统重构时间缩短至毫秒级5. 工程实践中的挑战与解决方案5.1 多PA耦合效应管理当单波导上PA数量超过10个时互耦效应会导致明显的性能退化。有效的抑制措施包括分段波导设计每5-8个PA设置独立馈电点频分复用不同PA组工作于稍偏频点自适应阻抗匹配基于史密斯圆图的实时调谐5.2 环境适应性提升温度变化和机械振动会影响波导性能。工程实践中采用复合材料波导热膨胀系数5ppm/°C弹性固定机构允许±2mm位移容差在线监测系统VSWR实时预警5.3 标准化进展目前IEEE 802.15.3d工作组已开始讨论PASS的标准化框架重点关注波导接口规范物理尺寸/阻抗PA控制协议位置/状态指令集性能评估指标等效全向辐射功率从实验室原型到商业部署PASS技术仍需在可靠性验证、成本控制和生态系统建设等方面持续突破。但随着6G研发进程的加速这种融合了波导物理与无线通信的创新架构必将为未来网络带来更多可能性。对于通信工程师而言掌握PASS的核心原理和设计方法将是面向下一代无线系统的重要技术储备。
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