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詳解5G新體制天線技術
發表時間:2019-01-04

本文通過對現今5G技術的發展趨勢和發展瓶頸進行分析,提煉出了在5G MIMO天線技術中最爲重要的耦合減小技術。分别介紹了兩大類新體制天線技術,包括:基于耦合諧振器去耦網絡的緊耦合終端天線;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。通過無源參數,有源參數和MIMO參數的測試和評估,證實了這兩類新體制天線在5G中的明顯優勢和廣闊應用場景。

1技術背景與研究意義

以信息技術爲代表的新一輪科技和産業變革,正在逐步孕育升級。在視頻流量激增,用戶設備增長和新型應用普及的态勢下,迫切需要第五代移動通訊系統(5G)的技術快速成熟與應用,包括移動通信,Wi-Fi,高速無線數傳無一例外的需要相比現在更快的傳輸速率,更低的傳輸延時以及更高的可靠性。爲了滿足移動通信的對高數據速率的需求,一是需要引入新技術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,大規模多輸入多輸出技術 (Massive MIMO)已經不可逆轉的成爲下一代移動通信系統的中提升頻譜效率的核心技術[2]。多輸入輸出技術(MIMO) 可以有效利用在收發系統之間的多個天線之間存在的多個空間信道,傳輸多路相互正交的數據流,從而在不增加通信帶寬的基礎上提高數據吞吐率以及通信的穩定性[3]。而Massive MIMO技術在此基礎之上更進一步,在有限的時間和頻率資源基礎上,采用上百個天線單元同時服務多達幾十個的移動終端(詳見圖1),更進一步提高了數據吞吐率和能量的使用效率[2]。

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圖1、一個典型的大規模多輸入多輸出陣列系統

除了Massive MIMO的應用,5G另外一個關鍵技術就是高頻段(毫米波)傳輸。傳統移動通信系統,包括3G,4G移動通信系統,其工作頻率主要集中在3GHz以下,頻譜資源已經異常擁擠。而工作在高頻段的通信系統,其可用的頻譜資源非常豐富,更有可能占用更寬的連續頻帶進行通信,從而滿足5G對信道容量和傳輸速率等方面的需求[1], [4]。因此,在2015年11月,世界無線電通信大會WRC-15,除了确定了470~694/698 MHz、1427~1518 MHz、3300~3700 MHz、以及4800~4990 MHz作爲5G部署的重要頻率之外,又提出了對24.25~86GHz内的若幹頻段進行研究,以便确定未來5G發展所需要的頻段[1], [5]。

但毫米波移動通信也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環境影響等缺點。因此,高增益、有自适應波束形成和波束控制能力的天線陣列,自然成爲5G在毫米波段應用的關鍵技術[6]。

然而,考慮到上述系統、天線陣的實際應用場景和應用環境,帶有Massive MIMO天線陣的5G基站建站時,由于實際空間受限,天線陣的體積不能很大。天線陣物理尺寸受限的情況下,多個天線單元之間的互相耦合、幹擾,必然會造成天線性能的下降,主要表現在以下幾個方面:

(1)造成天線副瓣較高[7],對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幹擾,造成信噪比變差,進而直接影響數據吞吐率;
(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适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計方法,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的天線設計和小型化方面,目前公開發表的文獻比較少,典型的代表包括,新加坡國立大學陳志甯教授團隊和東南大學洪偉教授團隊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一些學者提出的同樣含有超材料透鏡的、用縫隙波導饋電的天線陣[11]。在5G頻段,Massive MIMO天線陣依然存在着大量的仍待解決的問題,如小型化設計,性能改善,新工藝的實現等等。在我國開展5G技術試驗的關鍵階段,進一步推動Massive MIMO天線陣的設計理論研究,性能改善方法研究,對于5G技術的快速成熟和使用,具有着重要而又深遠的意義。

2耦合諧振器去耦網絡

在終端天線的耦合減小技術方面,本人于2012年在香港中文大學,提出了一種全新的适用于終端天線的耦合減小技術。利用兩個或多個耦合的諧振器網絡,并聯或級聯在兩天線或多天線上,通過合理的綜合設計網絡參數,達到緊耦合的天線的耦合減小和天線匹配保持的效果[12]~[14],這種解耦網絡,被稱爲“耦合諧振器去耦網絡”,其基本的原理圖見圖2。該網絡的主要特點有:

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圖2、耦合諧振器解耦網絡電路原理圖

1)   體積小,易于集成。最新的基于低溫共燒陶瓷技術的該類去耦網絡可以采用1608封裝,非常适合移動終端使用。
2)   此網絡有一套可以根據天線參數進行綜合設計的理論。由于網絡參數可控,該去耦網絡往往能實現相對較寬的解耦帶寬。
3)   該去耦網絡不依賴天線形式和參數,隻要确定了諧振頻率,有一套機理可以調節以适應各種天線。
4)   該去耦網絡本身的參數特性,保證了在解耦的時候,不破壞天線本身的匹配。

爲了5G滿足移動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)技術來實現該去耦網絡。采用的材料介電常數爲9.8,總共有19層疊層而成。其示意圖請見圖3。

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圖3、LTCC實現的兩階耦合諧振器去耦網絡模型圖

3耦合諧振器去耦網絡應用實例我們選取Wi-Fi 2.4GHz頻段作爲實例,展示耦合諧振器去耦網絡在實際天線解耦中的作用。圖4的(a)和(b)分别爲原始耦合較強的天線以及加入耦合諧振器去耦網絡之後的天線。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打印機設計加工。

去耦前後,圖4中兩組天線S參數的比較請參見圖5。由圖5可以看出,原來耦合天線雖然匹配滿足要求,但是隔離度隻有5至6dB,這說明有25%以上的能量沒有有效輻射,而是被另一天線負載吸收。在合理優化設計耦合諧振器去耦網絡之後,匹配狀态沒有明顯惡化的情況下,隔離度提高到10至15dB,此時耦合的能量已經小于10%。可以看到耦合諧振器去耦網絡對提高天線隔離度的明顯作用。

4

(a)                                       (b)

圖 4 (a)耦合雙天線 (b) 去耦雙天線

5

(a)                                                (b)

6

(c)

圖5、解耦前後兩天線的(a)S11,(b)S22和(c)S21的幅度響應

4基于超材料的MIMO天線陣改造技術作爲一種嶄新的概念,超材料這類人造的、具有優良電磁特性和電磁調控能力的材料與結構,能夠明顯提升天線的性能及擴展其功能。因此,得到了業内外、國内外的廣泛關注。

本課題組一直非常關注超材料技術及其在MIMO天線陣上的應用,并不斷進行了相關的前沿研究于技術積累。截止目前爲止,我們開拓了三種超材料技術與MIMO天線、天線陣及相控陣相結合的天線技術,分别是:

7

圖6

8

圖7

9

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.  這三類技術,各有适用。可以根據不同的天線陣形式和應用場景(如基站、終端、CPE設備等)靈活選用。需要說明的是,圖6~8中的天線、超材料結構都是示意。實際中,可以采用其他的天線和諧振結構代替。

5覆蓋超表面的MIMO天線陣如圖9所示,以微帶天線線陣爲例,在緊耦合的多單元MIMO天線陣的上方合适的距離覆蓋一層超材料表面之後,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:人爲制造的反射波耦合

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

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圖9、覆蓋超材料表面的微帶天線陣列耦合機理分析

本課題組在工作在5GHz頻段的兩個微帶天線單元進行了實物驗證。如圖10與圖11所示,圖10是兩個互相耦合很強的微帶天線,兩者之間邊到邊的物理距離隻有約1mm,即不到0.02倍的自由空間工作波長。

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圖10、兩個緊耦合的微帶天線

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圖11、含有超表面的兩個微帶天線

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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試S參數曲線

從圖12可以看到,這個時候,天線1/2雖然有非常好的匹配狀态,但是,兩個天線之間的隔離度(S21)隻有不到8dB。

覆蓋一層采用開口諧振環組成的超表面之後,如圖11,兩個天線之間的匹配和隔離度如圖12所示,可以看到,合理設計了超表面的物理參數之後,兩個天線的匹配狀态沒有任何惡化的基礎上,兩個天線之間的隔離度提升到了接近28dB,總共有20dB的提升。

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圖13、含有超表面的微帶天線測試設置

除了在無源S參數上可以看到超表面對性能的明顯提升。我們還研究了超表面對整個微帶MIMO天線輻射特性的改善。具體的測試狀态如圖13所示。我們在實驗室自有的SATIMO SG-24系統裏測試了兩個天線各自激勵時候的矢量方向圖,并看到了天線效率的提升(圖14)和兩個天線之間包絡相關系數(ECC)的明顯降低(圖15)。

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圖14、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線

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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相關系數

6采用超材料替代天線地板的MIMO天線技術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天線的其他性能,但是會提高天線的剖面,這在很多應用中是我們不希望看到的。因此,我們又探索了将這一層超材料嵌入傳統天線地板的可能性,并得到了一些令人振奮的初步結果。

如圖16所示,我們将一層蘑菇型(接地)的電子帶隙諧振結構(EBG)結構組成的地板替代了原來微帶天線的金屬導體地板,并研究了替代之後的天線特性。研究發現,這類天線陣同樣有着非常低的單元間互耦(工作在28GHz毫米波頻段),如圖17。同時,在單元非常緊湊的同時,有着非常好的相掃能力,如圖18、19。非常适合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範圍可以達到正負70°。

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圖16、采用超材料地板的八單元微帶天線線陣

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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

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圖18、EBG地板八單元線陣相掃示意

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圖19、EBG地板八單元線陣二維相掃方向圖

7總結與展望除了上述展示的技術,我們已經成功的證明,超材料覆蓋的技術可以适用于更多的單元數,方陣以及雙極化天線陣的耦合減小和性能提升。我們還驗證了采用超材料包圍的兩單元微帶天線陣,同樣可以達到耦合減小的目的。後續本課題組将針對更爲實際的應用場景,将上述提到的技術産品化。爲5G技術的進一步普及和提升,盡一份努力。