介紹一種用于5G的毫米波寬角掃描天線

引言

第五代（5G）網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要工作在毫米波波段，預(yù)計可以提供數(shù)千兆的數(shù)據(jù)速率，這是目前使用無線服務(wù)（包括低于6 GHz的頻段）所無法實現(xiàn)的。

在研究中，印度德里國家技術(shù)學(xué)院Ravi Kumar Arya研究團隊簡要綜述了幾種現(xiàn)有的用于5G應(yīng)用的毫米波相控陣設(shè)計。

首先，介紹了低剖面天線陣列設(shè)計，包括固定波束和僅在一個平面上掃描波束的兩種設(shè)計類型。

隨后，介紹了具有二維（2D）掃描能力的陣列系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于大多數(shù)5G應(yīng)用而言具有重要意義。

接下來，在本研究的主體部分，討論了兩種不同的掃描陣列設(shè)計策略，這兩種策略都規(guī)避了用傳統(tǒng)移相器來實現(xiàn)波束掃描。

值得注意的是，因為在毫米波波段傳統(tǒng)的移相器損耗高且價格昂貴，所以找到一個能替代傳統(tǒng)移相器的器件是非常必要的；此外，諸如包括射頻放大器在內(nèi)的有源移相器等替代品也是既昂貴又耗電的。

在此背景下，本研究提出了兩種不同的天線系統(tǒng)，這兩種天線系統(tǒng)在毫米波范圍內(nèi)具有理想的2D掃描性能。

第一種天線系統(tǒng)是龍伯透鏡，該透鏡由2D波導(dǎo)陣列或微帶貼片天線陣列激勵，以實現(xiàn)2D掃描能力。

第二種天線系統(tǒng)是相控陣設(shè)計，該設(shè)計采用可切換的PIN二極管或變?nèi)荻O管取代傳統(tǒng)移相器，并將二極管插入波導(dǎo)中的輻射槽之間，從而為掃描提供所需的相移。

最后，討論了幾種通過修改傳統(tǒng)陣列配置來提高陣列增益的方法。

本研究還介紹了通過使用可重構(gòu)的超表面類型的面板來實現(xiàn)一維（1D）和2D掃描的新技術(shù)。

最近人們對在Ka波段（即毫米波）運行的第五代（5G）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)頗有興趣，該技術(shù)可以提供數(shù)千兆比特的更高數(shù)據(jù)速率，而這是目前使用無線服務(wù)所無法實現(xiàn)的。

由于毫米波（mm-wave）相控陣天線存在許多理想的特性，包括高增益、更高的傳輸速率和更短的延遲，因此勢必會在5G應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

最近，已經(jīng)報道了一些針對5G應(yīng)用的毫米波相控陣設(shè)計的研究。

該相控陣配置通過減少干擾，實現(xiàn)基站與移動設(shè)備之間的高通信速率，為人口密集地區(qū)的用戶提供服務(wù)。

此外，有人認為波束切換對于解決未來毫米波5G應(yīng)用的挑戰(zhàn)至關(guān)重要，因為波束切換提供了高功率效率和寬角掃描覆蓋的大信道容量。

部分研究提出了低剖面天線陣列設(shè)計，該設(shè)計在高頻下具有良好的性能；然而，該設(shè)計只能使用機械手段在一個平面上掃描波束。

近年來，部分研究人員提出了利用基片集成波導(dǎo)、巴特勒矩陣、印刷脊隙波導(dǎo)（RGW），以及由脊隙波導(dǎo)巴特勒矩陣饋電的磁電偶極子天線陣列等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的波束切換網(wǎng)絡(luò)。

與此，部分研究中還提出了一種一維（1D）波束掃描技術(shù)，通過利用機械旋轉(zhuǎn)，該技術(shù)在增益、副瓣電平（SLL）等方面的性能隨方位角的不同而變化。

此外，最近的一項研究有望成為固定波束和掃描陣列的一個良好的參考。

在研究中，印度德里國家技術(shù)學(xué)院Ravi Kumar Arya研究團隊討論了兩種不同的掃描陣列設(shè)計策略，這兩種策略都避免使用傳統(tǒng)的移相器來實現(xiàn)波束掃描。

這在毫米波范圍內(nèi)是一個非常重要的理想特點，因為傳統(tǒng)的移相器存在損耗且價格昂貴。該問題的一個快速解決方案是使用一個包含射頻（RF）放大器的有源移相器。

雖然這種解決方案改善了損失問題，但不幸的是，該方案加劇了成本高的問題。

與此，該方法使天線系統(tǒng)高度耗電，這顯然是不可取的。

這些掃描天線需要實現(xiàn)高增益，并在天線掃描視角范圍內(nèi)保持這種增益，所以本研究基于此解決了上述設(shè)計問題。

此外，印度德里國家技術(shù)學(xué)院Ravi Kumar Arya研究團隊還介紹了開槽波導(dǎo)陣列的孔徑天線，這些天線能夠提供高增益、寬帶寬、低剖面和相對簡單的配置，因而被廣泛用于高頻應(yīng)用。

部分研究描述了可適用于目前應(yīng)用的低剖面孔徑天線。然而，這些天線在毫米波狀態(tài)下的設(shè)計仍需改進。

本研究提出的兩種類型的設(shè)計似乎顯示出了超過傳統(tǒng)設(shè)計（包括傳統(tǒng)相控陣列、凸透鏡或平透鏡、羅特曼透鏡、超表面反射陣列和帶有巴特勒矩陣的陣列）的潛力（圖1）。

圖1.替代透鏡設(shè)計。（a）不同圓盤的位置。hn：第n個圓盤高度；n：圓盤數(shù)；Diskn：第n個圓盤。（b）透鏡中心附近的圓盤平面。（c）透鏡最末端的圓盤。

印度德里國家技術(shù)學(xué)院Ravi Kumar Arya研究團隊綜述了用于固定波束和掃描應(yīng)用的幾種不同的陣列天線設(shè)計，并簡要討論了一些傳統(tǒng)的陣列設(shè)計；研究結(jié)果表明，與其他高增益天線（如反射面、反射陣列以及傳統(tǒng)或平面梯度折射率透鏡）相比，這些陣列可以實現(xiàn)的剖面相對較低。

他們還描述了一些新的設(shè)計概念，這些概念不使用既有損耗又昂貴的傳統(tǒng)移相器，也能提供波束掃描能力。

因此，本研究提出的方法是用插入在陣列元件之間的可切換通道取代傳統(tǒng)的鐵氧體型移相器，或者使用可重構(gòu)的超表面面板進行掃描，并且這些方法幾乎沒有掃描損失。

本研究還提出了一種龍伯透鏡設(shè)計（圖2），其中包括用于二維（2D）掃描的一種包含微帶貼片天線的陣列饋電，其掃描性能普遍優(yōu)于現(xiàn)有的相控陣設(shè)計，但該設(shè)計需要一種具有可切換元件的陣列饋電類型來掃描波束。

最后，5G應(yīng)用中高增益、低剖面、極化多樣、固定波束和掃描天線的設(shè)計是一個非常活躍的研發(fā)領(lǐng)域，希望本研究能夠引起研究人員對這一領(lǐng)域產(chǎn)生更深的興趣，以應(yīng)對已經(jīng)確定的挑戰(zhàn)。

圖2. 龍伯透鏡設(shè)計。（a）等距視圖；（b）俯視圖。

審核編輯：劉清