詳解5G新體制天線技術(shù) - 全文

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)今5G技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展瓶頸進(jìn)行分析，提煉出了在5G MIMO天線技術(shù)中最為重要的耦合減小技術(shù)。分別介紹了兩大類(lèi)新體制天線技術(shù)，包括：基于耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)的緊耦合終端天線；基于超材料（超表面）的MIMO，Massive MIMO天線陣耦合減小及性能提升技術(shù)。通過(guò)無(wú)源參數(shù)，有源參數(shù)和MIMO參數(shù)的測(cè)試和評(píng)估，證實(shí)了這兩類(lèi)新體制天線在5G中的明顯優(yōu)勢(shì)和廣闊應(yīng)用場(chǎng)景。

1技術(shù)背景與研究意義

以信息技術(shù)為代表的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革，正在逐步孕育升級(jí)。在視頻流量激增，用戶設(shè)備增長(zhǎng)和新型應(yīng)用普及的態(tài)勢(shì)下，迫切需要第五代移動(dòng)通訊系統(tǒng)（5G）的技術(shù)快速成熟與應(yīng)用，包括移動(dòng)通信，Wi-Fi，高速無(wú)線數(shù)傳無(wú)一例外的需要相比現(xiàn)在更快的傳輸速率，更低的傳輸延時(shí)以及更高的可靠性。為了滿足移動(dòng)通信的對(duì)高數(shù)據(jù)速率的需求，一是需要引入新技術(shù)提高頻譜效率和能量利用效率，二是需要拓展新的頻譜資源[1]。

在此背景下，大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù) （Massive MIMO）已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)的成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的中提升頻譜效率的核心技術(shù)[2]。多輸入輸出技術(shù)(MIMO) 可以有效利用在收發(fā)系統(tǒng)之間的多個(gè)天線之間存在的多個(gè)空間信道，傳輸多路相互正交的數(shù)據(jù)流，從而在不增加通信帶寬的基礎(chǔ)上提高數(shù)據(jù)吞吐率以及通信的穩(wěn)定性[3]。而Massive MIMO技術(shù)在此基礎(chǔ)之上更進(jìn)一步，在有限的時(shí)間和頻率資源基礎(chǔ)上，采用上百個(gè)天線單元同時(shí)服務(wù)多達(dá)幾十個(gè)的移動(dòng)終端(詳見(jiàn)圖1)，更進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)吞吐率和能量的使用效率[2]。

圖1、一個(gè)典型的大規(guī)模多輸入多輸出陣列系統(tǒng)

除了Massive MIMO的應(yīng)用，5G另外一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是高頻段（毫米波）傳輸。傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)，包括3G，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，其工作頻率主要集中在3GHz以下，頻譜資源已經(jīng)異常擁擠。而工作在高頻段的通信系統(tǒng)，其可用的頻譜資源非常豐富，更有可能占用更寬的連續(xù)頻帶進(jìn)行通信，從而滿足5G對(duì)信道容量和傳輸速率等方面的需求[1],?[4]。因此，在2015年11月，世界無(wú)線電通信大會(huì)WRC-15，除了確定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作為5G部署的重要頻率之外，又提出了對(duì)24.25~86GHz內(nèi)的若干頻段進(jìn)行研究，以便確定未來(lái)5G發(fā)展所需要的頻段[1],?[5]。

但毫米波移動(dòng)通信也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。因此，高增益、有自適應(yīng)波束形成和波束控制能力的天線陣列，自然成為5G在毫米波段應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

然而，考慮到上述系統(tǒng)、天線陣的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用環(huán)境，帶有Massive MIMO天線陣的5G基站建站時(shí)，由于實(shí)際空間受限，天線陣的體積不能很大。天線陣物理尺寸受限的情況下，多個(gè)天線單元之間的互相耦合、干擾，必然會(huì)造成天線性能的下降，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）造成天線副瓣較高[7]，對(duì)陣列的波束掃描能力有較大的影響[8]；
（2）由于天線單元之間互相的干擾，造成信噪比變差，進(jìn)而直接影響數(shù)據(jù)吞吐率；
（3）使得能夠有效輻射的能量減少，造成天線陣增益降低，能量利用效率低下[8],[9]。

綜上所述，在5G適用的低頻段和高頻段，迫切需要尋找一種行之有效的改善空間受限的Massive MIMO天線陣列的性能的理論和設(shè)計(jì)方法，能夠即縮小天線陣體積，又保持原有的天線陣性能。

在5G Massive MIMO的天線設(shè)計(jì)和小型化方面，目前公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)比較少，典型的代表包括，新加坡國(guó)立大學(xué)陳志寧教授團(tuán)隊(duì)和東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊(duì)的基于超材料的平面透鏡天線陣[10]，以及加拿大康考迪亞大學(xué)一些學(xué)者提出的同樣含有超材料透鏡的、用縫隙波導(dǎo)饋電的天線陣[11]。在5G頻段，Massive MIMO天線陣依然存在著大量的仍待解決的問(wèn)題，如小型化設(shè)計(jì)，性能改善，新工藝的實(shí)現(xiàn)等等。在我國(guó)開(kāi)展5G技術(shù)試驗(yàn)的關(guān)鍵階段，進(jìn)一步推動(dòng)Massive MIMO天線陣的設(shè)計(jì)理論研究，性能改善方法研究，對(duì)于5G技術(shù)的快速成熟和使用，具有著重要而又深遠(yuǎn)的意義。

2耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)

在終端天線的耦合減小技術(shù)方面，本人于2012年在香港中文大學(xué)，提出了一種全新的適用于終端天線的耦合減小技術(shù)。利用兩個(gè)或多個(gè)耦合的諧振器網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)或級(jí)聯(lián)在兩天線或多天線上，通過(guò)合理的綜合設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，達(dá)到緊耦合的天線的耦合減小和天線匹配保持的效果[12]~[14]，這種解耦網(wǎng)絡(luò)，被稱為“耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)”，其基本的原理圖見(jiàn)圖2。該網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有：

圖2、耦合諧振器解耦網(wǎng)絡(luò)電路原理圖

1)?? 體積小，易于集成。最新的基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的該類(lèi)去耦網(wǎng)絡(luò)可以采用1608封裝，非常適合移動(dòng)終端使用。
2)?? 此網(wǎng)絡(luò)有一套可以根據(jù)天線參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的理論。由于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可控，該去耦網(wǎng)絡(luò)往往能實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的解耦帶寬。
3)?? 該去耦網(wǎng)絡(luò)不依賴天線形式和參數(shù)，只要確定了諧振頻率，有一套機(jī)理可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種天線。
4)?? 該去耦網(wǎng)絡(luò)本身的參數(shù)特性，保證了在解耦的時(shí)候，不破壞天線本身的匹配。

為了5G滿足移動(dòng)終端器件小型化的需求，我們采用了基于1608封裝的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該去耦網(wǎng)絡(luò)。采用的材料介電常數(shù)為9.8，總共有19層疊層而成。其示意圖請(qǐng)見(jiàn)圖3。

圖3、LTCC實(shí)現(xiàn)的兩階耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)模型圖

3耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例我們選取Wi-Fi 2.4GHz頻段作為實(shí)例，展示耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際天線解耦中的作用。圖4的(a)和(b)分別為原始耦合較強(qiáng)的天線以及加入耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)之后的天線。天線均采用柔性印制電路板(FPC)形式制成，天線支架采用了3D打印機(jī)設(shè)計(jì)加工。

去耦前后，圖4中兩組天線S參數(shù)的比較請(qǐng)參見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，原來(lái)耦合天線雖然匹配滿足要求，但是隔離度只有5至6dB，這說(shuō)明有25%以上的能量沒(méi)有有效輻射，而是被另一天線負(fù)載吸收。在合理優(yōu)化設(shè)計(jì)耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)之后，匹配狀態(tài)沒(méi)有明顯惡化的情況下，隔離度提高到10至15dB，此時(shí)耦合的能量已經(jīng)小于10%?？梢钥吹今詈现C振器去耦網(wǎng)絡(luò)對(duì)提高天線隔離度的明顯作用。

(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b)

圖 4 (a)耦合雙天線 (b) 去耦雙天線

(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b)

(c)

圖5、解耦前后兩天線的(a)S11,(b)S22和(c)S21的幅度響應(yīng)

4基于超材料的MIMO天線陣改造技術(shù)作為一種嶄新的概念，超材料這類(lèi)人造的、具有優(yōu)良電磁特性和電磁調(diào)控能力的材料與結(jié)構(gòu)，能夠明顯提升天線的性能及擴(kuò)展其功能。因此，得到了業(yè)內(nèi)外、國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

本課題組一直非常關(guān)注超材料技術(shù)及其在MIMO天線陣上的應(yīng)用，并不斷進(jìn)行了相關(guān)的前沿研究于技術(shù)積累。截止目前為止，我們開(kāi)拓了三種超材料技術(shù)與MIMO天線、天線陣及相控陣相結(jié)合的天線技術(shù)，分別是：

圖6

圖7

圖8

a.? 超表面覆蓋于天線陣列之上（圖6）
b.? 天線單元鑲嵌于超表面同層（圖7）
c.? 超表面替代天線陣列的地板（圖8）
d.? 這三類(lèi)技術(shù)，各有適用?？梢愿鶕?jù)不同的天線陣形式和應(yīng)用場(chǎng)景（如基站、終端、CPE設(shè)備等）靈活選用。需要說(shuō)明的是，圖6~8中的天線、超材料結(jié)構(gòu)都是示意。實(shí)際中，可以采用其他的天線和諧振結(jié)構(gòu)代替。

5覆蓋超表面的MIMO天線陣如圖9所示，以微帶天線線陣為例，在緊耦合的多單元MIMO天線陣的上方合適的距離覆蓋一層超材料表面之后，微帶天線單元1到微帶天線2的電磁波有三條耦合路徑：

①：表面波耦合
②：空間波耦合
③：人為制造的反射波耦合

合理的調(diào)控三條路徑上耦合的幅度和相位，可以使得耦合的總效應(yīng)互相抵消，這樣就有效消除了單元之間的互耦。

圖9、覆蓋超材料表面的微帶天線陣列耦合機(jī)理分析

本課題組在工作在5GHz頻段的兩個(gè)微帶天線單元進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。如圖10與圖11所示，圖10是兩個(gè)互相耦合很強(qiáng)的微帶天線，兩者之間邊到邊的物理距離只有約1mm，即不到0.02倍的自由空間工作波長(zhǎng)。

圖10、兩個(gè)緊耦合的微帶天線

圖11、含有超表面的兩個(gè)微帶天線

圖12、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線單元的測(cè)試S參數(shù)曲線

從圖12可以看到，這個(gè)時(shí)候，天線1/2雖然有非常好的匹配狀態(tài)，但是，兩個(gè)天線之間的隔離度（S21）只有不到8dB。

覆蓋一層采用開(kāi)口諧振環(huán)組成的超表面之后，如圖11，兩個(gè)天線之間的匹配和隔離度如圖12所示，可以看到，合理設(shè)計(jì)了超表面的物理參數(shù)之后，兩個(gè)天線的匹配狀態(tài)沒(méi)有任何惡化的基礎(chǔ)上，兩個(gè)天線之間的隔離度提升到了接近28dB，總共有20dB的提升。

圖13、含有超表面的微帶天線測(cè)試設(shè)置

除了在無(wú)源S參數(shù)上可以看到超表面對(duì)性能的明顯提升。我們還研究了超表面對(duì)整個(gè)微帶MIMO天線輻射特性的改善。具體的測(cè)試狀態(tài)如圖13所示。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室自有的SATIMO SG-24系統(tǒng)里測(cè)試了兩個(gè)天線各自激勵(lì)時(shí)候的矢量方向圖，并看到了天線效率的提升（圖14）和兩個(gè)天線之間包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）的明顯降低（圖15）。

圖14、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線

圖15、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線單元之間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

6采用超材料替代天線地板的MIMO天線技術(shù)在天線陣表面覆蓋超表面雖然可以明顯的減小天線單元之間的耦合和改進(jìn)天線的其他性能，但是會(huì)提高天線的剖面，這在很多應(yīng)用中是我們不希望看到的。因此，我們又探索了將這一層超材料嵌入傳統(tǒng)天線地板的可能性，并得到了一些令人振奮的初步結(jié)果。

如圖16所示，我們將一層蘑菇型（接地）的電子帶隙諧振結(jié)構(gòu)（EBG）結(jié)構(gòu)組成的地板替代了原來(lái)微帶天線的金屬導(dǎo)體地板，并研究了替代之后的天線特性。研究發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)天線陣同樣有著非常低的單元間互耦（工作在28GHz毫米波頻段），如圖17。同時(shí)，在單元非常緊湊的同時(shí)，有著非常好的相掃能力，如圖18、19。非常適合5G毫米波頻段的帶有相掃能力的終端使用。圖19表面該線陣相掃角度范圍可以達(dá)到正負(fù)70°。

圖16、采用超材料地板的八單元微帶天線線陣

圖17、采用金屬地板和采用EBG地板的天線陣中兩單元之間的隔離度

圖18、EBG地板八單元線陣相掃示意

圖19、EBG地板八單元線陣二維相掃方向圖

7總結(jié)與展望除了上述展示的技術(shù)，我們已經(jīng)成功的證明，超材料覆蓋的技術(shù)可以適用于更多的單元數(shù)，方陣以及雙極化天線陣的耦合減小和性能提升。我們還驗(yàn)證了采用超材料包圍的兩單元微帶天線陣，同樣可以達(dá)到耦合減小的目的。后續(xù)本課題組將針對(duì)更為實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，將上述提到的技術(shù)產(chǎn)品化。為5G技術(shù)的進(jìn)一步普及和提升，盡一份努力。