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關于5G系統天線技術的簡單說明

獨愛72H ? 來源:電子元件技術網 ? 作者:電子元件技術網 ? 2020-03-20 16:55 ? 次閱讀

(文章來源:電子元件技術網)

這包括單個天線的設計以及系統層面上的技術,系統層面的上文有提到,例如多波束、波束成形、有源天線陣、Massive MIMO等。從具體天線設計來看,超材料為基礎的概念發展出來的技術將會大有裨益。目前超材料已經在3G和4G上取得了成功,例如實現了小型化、低輪廓、高增益和款頻段。

第二個是,襯底或者封裝集成天線。這些天線主要用在頻率比較高的頻段,也就是毫米波頻段。雖然高頻段的天線尺寸很小,但天線本身的損耗非常大,所以在終端上最好把天線和襯底集成或者更小的封裝集成。第三個是電磁透鏡。透鏡主要應用于高頻段,當波長非常小的時候,放上一個介質可以去到聚焦的作用,高頻天線體積并不大,但是微波段的波長很長,這就導致透鏡很難使用,體積會很大。

第四個是MEMS的應用。在頻率很低的時候,MEMS可以用作開關,在手機終端,如果能對天線進行有效的控制、重構,就可以實現一個天線多用。

以電磁透鏡為例,這一設計引進了一個概念:在多單元的天線陣列前面放了一個電磁透鏡(這里指應用于微波或毫米波低端頻段的透鏡,與傳統光學透鏡不同),當光從某一個角度入射后,就會在某一個焦平面上產生斑點,這個斑點上就集中了大量的能力,這就意味著在很小的區域內把整個能力的主要部分接收下來。

當入射方向變化,斑點在焦平面上的位置也會發生變化。如上圖,當角度正投射的時候,產生了黑顏色的能量分布,如果是按照某個角度θ入射(紅顏色),主要能量就偏離了黑顏色區域。用這個概念可以區分能量是從哪里來的,入射的方向和能量在陣列上或者焦平面上的位置是一一對應的。反之,在不同的位置激勵天線,天線就會輻射不同的方向,這也是一一對應的。

如果用多個單元在焦平面上輻射,就可以產生多個載波束的輻射,也就是所謂的波束成形;如果在這些波束之間進行切換,就出現波束掃描的現象;如果這些天線同時用,就可以實現Massive MIMO。這個陣列可以很大,但在每個波束上只要用很少的陣列就可以實現高增益的輻射。

普通的陣列如果有同樣大小的口徑,每次收到的能量是要所有的單元必須在這個區域內接收能量,如果在很大區域只放一個單元收到的能量只是非常小的一部分;和普通陣列不同的是,同樣的口徑在沒有任何損耗的情況下,只用很少的單元就可以接收到所有的能量,不同的角度進來,這些能量可以被不同的地方同時接收。

這大大簡化了整個系統,如果每次工作只有一個方向的時候,只要一個局部的天線工作就可以,這就減少了同時工作天線的個數。而子陣的概念不同,它是讓局部多天線構成子陣,這時候通道數是隨著子陣單元數的增加而減少的。例如10×10的陣列,如果用5×5變成子陣的話,那么就變成了只有四個獨立的通道,整個信道數也就減少了。

上圖右側顯示的是在基帶上算出來透鏡對系統的影響,水平方向是天線個數,假設水平方向上一個線陣有20個單元,用透鏡的情況下,只用5個單元去接受被聚焦后的能量比不用透鏡全部20個單元都用上的效果要更好,前者的通信質量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況,波從所有方向入射,這20個單元都用上和后者的效果也是一樣的。所以用透鏡可以改善天線的性能——用少量天線個數,達到以往大型陣列的效果。

從這張PPT可以看出,用電磁透鏡可以降低成本、降低復雜度、增加輻射效率,還可以增加天線陣列的濾波特性(屏蔽干擾信號)等等。這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線,并且用了7個單元天線作為饋源。

如左側所示,前面的透鏡是用超材料制成的屏幕透鏡,用兩層PCB刻成不同的形狀進行相位的調整,以實現特定方向的聚焦。右側可以看出7個輻射單元性能,波瓣寬度是6.8°,旁瓣是18dB以下,增益是24-25dB。這一實驗驗證了電磁透鏡在基站上的應用,同時也驗證了超材料技術在天線小型化的作用。
(責任編輯:fqj)

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