介绍一种用于5G的毫米波宽角扫描天线

引言

第五代（5G）网络通信系统主要工作在毫米波波段，预计可以提供数千兆的数据速率，这是目前使用无线服务（包括低于6 GHz的频段）所无法实现的。

在研究中，印度德里国家技术学院Ravi Kumar Arya研究团队简要综述了几种现有的用于5G应用的毫米波相控阵设计。

首先，介绍了低剖面天线阵列设计，包括固定波束和仅在一个平面上扫描波束的两种设计类型。

随后，介绍了具有二维（2D）扫描能力的阵列系统，该系统对于大多数5G应用而言具有重要意义。

接下来，在本研究的主体部分，讨论了两种不同的扫描阵列设计策略，这两种策略都规避了用传统移相器来实现波束扫描。

值得注意的是，因为在毫米波波段传统的移相器损耗高且价格昂贵，所以找到一个能替代传统移相器的器件是非常必要的；此外，诸如包括射频放大器在内的有源移相器等替代品也是既昂贵又耗电的。

在此背景下，本研究提出了两种不同的天线系统，这两种天线系统在毫米波范围内具有理想的2D扫描性能。

第一种天线系统是龙伯透镜，该透镜由2D波导阵列或微带贴片天线阵列激励，以实现2D扫描能力。

第二种天线系统是相控阵设计，该设计采用可切换的PIN二极管或变容二极管取代传统移相器，并将二极管插入波导中的辐射槽之间，从而为扫描提供所需的相移。

最后，讨论了几种通过修改传统阵列配置来提高阵列增益的方法。

本研究还介绍了通过使用可重构的超表面类型的面板来实现一维（1D）和2D扫描的新技术。

最近人们对在Ka波段（即毫米波）运行的第五代（5G）网络通信技术颇有兴趣，该技术可以提供数千兆比特的更高数据速率，而这是目前使用无线服务所无法实现的。

由于毫米波（mm-wave）相控阵天线存在许多理想的特性，包括高增益、更高的传输速率和更短的延迟，因此势必会在5G应用中发挥重要作用。

最近，已经报道了一些针对5G应用的毫米波相控阵设计的研究。

该相控阵配置通过减少干扰，实现基站与移动设备之间的高通信速率，为人口密集地区的用户提供服务。

此外，有人认为波束切换对于解决未来毫米波5G应用的挑战至关重要，因为波束切换提供了高功率效率和宽角扫描覆盖的大信道容量。

部分研究提出了低剖面天线阵列设计，该设计在高频下具有良好的性能；然而，该设计只能使用机械手段在一个平面上扫描波束。

近年来，部分研究人员提出了利用基片集成波导、巴特勒矩阵、印刷脊隙波导（RGW），以及由脊隙波导巴特勒矩阵馈电的磁电偶极子天线阵列等结构实现的波束切换网络。

与此，部分研究中还提出了一种一维（1D）波束扫描技术，通过利用机械旋转，该技术在增益、副瓣电平（SLL）等方面的性能随方位角的不同而变化。

此外，最近的一项研究有望成为固定波束和扫描阵列的一个良好的参考。

在研究中，印度德里国家技术学院Ravi Kumar Arya研究团队讨论了两种不同的扫描阵列设计策略，这两种策略都避免使用传统的移相器来实现波束扫描。

这在毫米波范围内是一个非常重要的理想特点，因为传统的移相器存在损耗且价格昂贵。该问题的一个快速解决方案是使用一个包含射频（RF）放大器的有源移相器。

虽然这种解决方案改善了损失问题，但不幸的是，该方案加剧了成本高的问题。

与此，该方法使天线系统高度耗电，这显然是不可取的。

这些扫描天线需要实现高增益，并在天线扫描视角范围内保持这种增益，所以本研究基于此解决了上述设计问题。

此外，印度德里国家技术学院Ravi Kumar Arya研究团队还介绍了开槽波导阵列的孔径天线，这些天线能够提供高增益、宽带宽、低剖面和相对简单的配置，因而被广泛用于高频应用。

部分研究描述了可适用于目前应用的低剖面孔径天线。然而，这些天线在毫米波状态下的设计仍需改进。

本研究提出的两种类型的设计似乎显示出了超过传统设计（包括传统相控阵列、凸透镜或平透镜、罗特曼透镜、超表面反射阵列和带有巴特勒矩阵的阵列）的潜力（图1）。

图1. 替代透镜设计。（a）不同圆盘的位置。hn：第n个圆盘高度；n：圆盘数；Diskn：第n个圆盘。（b）透镜中心附近的圆盘平面。（c）透镜最末端的圆盘。

印度德里国家技术学院Ravi Kumar Arya研究团队综述了用于固定波束和扫描应用的几种不同的阵列天线设计，并简要讨论了一些传统的阵列设计；研究结果表明，与其他高增益天线（如反射面、反射阵列以及传统或平面梯度折射率透镜）相比，这些阵列可以实现的剖面相对较低。

他们还描述了一些新的设计概念，这些概念不使用既有损耗又昂贵的传统移相器，也能提供波束扫描能力。

因此，本研究提出的方法是用插入在阵列元件之间的可切换通道取代传统的铁氧体型移相器，或者使用可重构的超表面面板进行扫描，并且这些方法几乎没有扫描损失。

本研究还提出了一种龙伯透镜设计（图2），其中包括用于二维（2D）扫描的一种包含微带贴片天线的阵列馈电，其扫描性能普遍优于现有的相控阵设计，但该设计需要一种具有可切换元件的阵列馈电类型来扫描波束。

最后，5G应用中高增益、低剖面、极化多样、固定波束和扫描天线的设计是一个非常活跃的研发领域，希望本研究能够引起研究人员对这一领域产生更深的兴趣，以应对已经确定的挑战。

图2. 龙伯透镜设计。（a）等距视图；（b）俯视图。

审核编辑：刘清