对天线阵技术点对点和点对多点无线通信在毫米波频率

文摘

通过引入mm-wave 5 g通信系统操作的频率范围,新机会的多媒体服务和应用程序将变得可用。要实现这一目标,一些技术挑战需要解决从天线的角度来看。成就的高增益特性和灵活的波束形成与wide-scan功能正在进行的研究的主要目标是mm-wave天线阵列。在本文中,一个最新的无线通讯天线阵技术的概述在mm-wave频率。重点放在对先进的和最先进的天线阵的概念点对点和点对多点无线链接表示频率。绩效评估的各种数据的综合分析和板凳标记技术解决方案调查调查。

1。介绍

无线数据流量呈指数增加,这种趋势预计将继续在未来几年。无线网络的容量限制操作下面的分支GHz频段有效达成。事实上,大多数的商业无线电通信基础设施,包括AM / FM和高清电视广播,以及GPS卫星细胞,和无线通信,局限在相对狭窄的部分谱300 MHz和3 GHz之间电磁传播条件更优惠,和低成本的半导体技术是现成的1]。频率范围说,然而,现在过度拥挤。出于这个原因,一个重要的努力已经对无线通信系统的发展在mm-wave频率操作,在哪里可以得到更大的带宽来满足未来容量需求。通信系统的主要优势在mm-waves可以总结如下2]:(我)之间的频带极宽的带宽:相比300 MHz和3 GHz, mm-wave应用程序可以受益于更广泛的部分频谱,因此,数据速率。(2)天线尺寸:辐射元素的物理尺寸减少波长比例,允许集成天线和射频电子实现小体积设备。(3)电磁能量聚焦:通过将操作波长,大规模天线阵列有超过100个元素可以集成到相对较小的物理区域,允许自适应波束形成与增强合成窄光束方向性特征是工具性的交付更好的服务质量在真实的场景3]。

无线通信在mm-wave频段,然而,也有一定的缺点,如高灵敏度无线电波堵塞和更大的传播损失。此外,由于电磁场的具体quasioptical行为主导物理层,专门在MAC层协议开发(4),采用以达到非常低的延迟和高数据率(5]。mm-waves,严重的路径损失经验结合显著衰减由于氧气吸收的影响(主要是在60 GHz乐队),堵塞、降水、和树叶(与树木的存在阻碍收音机链接)(6]。然而,几项研究已经证实,对于小(小于1公里)的距离,雨衰减减少了影响电磁场辐射的分布由小细胞操作28 GHz之间的频率范围和38个GHz (7]。

无线电波传播的独特的特点在mm-wave频率使天线整个系统中最关键的元素之一(8]。更高层次的天线集成启用更高频率的操作带来的挑战处理减少公差制造错误和材料使用更复杂的要求。天线性能也明显影响电路的特点,嵌入式系统中,如喂养网络互连不同的组件,或者活动设备的局限性,如权力和低噪声放大器。在mm-waves设计过程的另一个挑战是集成天线系统的表征和测试,这样小的波长,对偏差错误,更敏感温度,机械振动,反过来,可以造成额外的损失,以及振幅和相位误差。mm-wave天线特性的更多信息可以在[9),详细分析测量的不确定性在mm-wave频率。

许多调查和科学论文的不同方面mm-wave技术在过去几年出现在文献中。在[10),王等人讨论面临的技术挑战与相位噪声和大规模的衰减。在[11],Rappaport等人发展的概述了细胞和wi - fi网络传播信道模型的详细描述。在[12森,Ghosh和包容性的调查报道了天线阵的架构。在[13),香港等人介绍了多波束reflector-based阵列技术相关方面通过不同的移相技术。最后,在[14),香港等人描述实际解决方案的集成mm-wave相控阵天线与射束交换功能。

在这项研究中,我们关注的是不同天线阵的审查解决方案分类根据底层技术。特别是,详细分析mm-wave先进阵列用于无线通信的频率。这样的概述,基于我们的知识,而不是以前发表在公开文献。本文组织如下。节2,有用的设计考虑与一些评论中所面临的主要挑战mm-wave阵列系统的发展。部分3提供了一个合适的描述天线技术在mm-wave频率,突出相关的优点和缺点。在随后的部分,一个广泛的审查是由mm-wave天线阵列的艺术状态的两个具体的用例:点对多点(天车)和点对点无线通信(PtP)。最后,给出了结论部分7。

2。MM-Wave天线的设计考虑

下一代无线通信系统的目标是支持低延迟和高数据速率和扩展覆盖各种各样的应用程序,包括传感器网络、智能建筑、和移动设备(15]。信道容量的表达式是由下列方程(16]: 的成就表明,更高的数据速率只能通过增加操作带宽(B)和天线增益传输和/或接收端( , )并通过提高信噪比( )。这就解释了相关的好处mm-wave频谱的使用,尽管在衰减更大空间的成本。为了进一步提高信道容量,还可以启用多个空间数据流的支持,同时,不同的光束和双极化在发射机和接收机。

mm-wave通信天线解决方案的关键要求是功能高增益的特点,以弥补上所经历的重大传播损失考虑频率。解决这一挑战在于集成天线的阵列配置(17),结合一个足够高密度部署的细胞在一个给定的网络。在提高天线阵列的辐射元素,可以增加方向性,从而集中辐射功率在一个给定的方向。最常见的数组结构矩形/平方配置。一个 平面阵图所示1和坐标系统作为参考文档的其余部分。

为了达到足够的无线电覆盖的操作环境,必须执行一个精确的链路预算分析。这方面的一个重要参数是路径损耗,这决定了水平根据电磁辐射能量传播过程的衰减的广播频道。不同模型的估计可在文献中发射机和接收机之间的路径损耗。特别感兴趣的是近战的(CI)和Alpha-Beta-Gamma (ABG)模型,依赖于实验测量数据(18,19]。准确评估的链接在视距(LOS)和预算公布(仿真结果传播场景5 g-and-beyond通讯报道,同时,在20.,21)基于3 gpp标准(22]。

绩效的主要数据定义一个天线阵的性能,根据图的插图2在以下部分中,使用板凳标记技术解决方案的研究综述。为了方便起见,两个不同的情景(PtP和天车通信)检查为了提供一个更有意义的概述不同天线的概念。每个手术场景确实需要不同的辐射特性。

在开发经由无线通信天线阵列时,主要的问题是实现高增益的特点,以弥补mm-waves传播损失和获得,通过这种方式,一个稳定的无线链接,同时避免意想不到的发射机和接收机之间的偏差。维护整个系统在中档网络例子如mm-wave回程/ fronthaul board-to-board通信。当使用一个天线阵,相反,天车通信的一个主要挑战是实现广角光束扫描。这允许最小化所需的阵列天线板数量,使适当的操作环境的报道,通过这种方式,降低整个系统的成本。一个相关的例子在这方面是由5 g基站(BSs)必须确保合适的360°的报道多个用户都在运动时(如图3)。在这种情况下,依照上述传播损耗模型,一个人应该目标值的峰值增益约26 dBi为了使一个可靠的服务质量,100年的28个GHz频段,以及扫描范围的至少60°±所以限制行业所需数量的三个或四个(包括一些重叠的边缘)。在这个和其他几个手术场景,除了广角扫描功能,它是有天线阵的关键解决方案,功能稳定的增益(SLL),和较低的旁瓣级特征。除此之外,一个重要方面考虑在设计阶段是光栅叶的出现。参照均匀间隔的平面天线阵,以下标准通常是执行,以避免形成光栅叶(8]: 在哪里和表示沿水平和垂直方向元件间的分离,分别在自由空间波长在最高运行频率,然后呢最大转向角沿着扫描飞机;也就是说, 和 (参见图1)。因为它可以推断出从(2),光栅叶可以避免通过使用一系列密集的网格。然而,这可能导致不必要的高相互耦合,反过来,阵列性能有消极影响。扫描时,侧向天线阵列受到主瓣增益退化由于孔径投影损失(23]。在理想的情况下,获得退化而孔径扫描,也称为扫描功率损耗,遵循法律。在现实生活中,由于寄生互耦的影响,扫描实际上是更严重的损失,可以有效地建模为 ,在哪里n是一个实值参数大于1。下列事项可以(23]:(我)主瓣增益至少衰减在扫描不同的方向。(2)舷侧阵不能扫描到end-fire方向 。专用的数组应该为了确保end-fire报道。

光栅叶规避高天线元素之间的隔离,在扫描范围是最稳定的获得相关的挑战和相互冲突的需求在广角扫描阵列的设计。

天线阵列的一个重要品质因数是活跃的反射系数( ),这提供了一个有效的方法来评估天线回波损耗特性包括相互耦合影响而扫描(24]。为广大数组元素,可以计算为 在哪里天线元素的总数,和表示入射波的输入终端和数组元素,分别表示的耦合系数。操作相控阵天线的带宽通常定义为频率范围,主动反射系数的大小低于−10 dB。失明( )可能发生在扫描由于寄生天线之间的耦合元素(24]。详细分析提供了相控阵列互耦的(25]。

在各方面,实现效率高在整个频带的操作是非常重要的,使有效功率管理系统的水平。数十亿的对象即将到来的5 g通信网络无线连接,它就变成了个人实际上降低功耗的关键设备和组件。

3所示。天线概念和技术

可用不同的天线概念在科学文献中提供的各种设计选择阵列天线,具有不同特点,可以强烈影响整个系统的性能。的优点和缺点的概述常用天线元素融入mm-wave数组报道在表1。

微带贴片天线相对容易制造使用技术常用的行业(26]。他们代表一个相当通用的解决方案在多个应用程序中需要铅笔梁,风扇梁或全向无线覆盖。天线极化,它是线性或圆形,是否可以控制,而简单的方法。此外,微带天线可以符合托管平台在平面或曲面的形状(27,28]。贴片天线尤其适合天车通信,因为它们的功能辐射模式与广泛的覆盖率,是工具性的成就广角扫描阵列级别属性。

多亏了他们的特点,维瓦尔第的天线(29日)可能代表一个有效的替代其他天线解决方案在不同的应用程序。这种类型的天线的主要优点之一是宽带的行为(30.]。维瓦尔第的天线通常印在介质基板,从而使有关与其他组件的集成更容易实现。维瓦尔第的天线被广泛研究文学与各种设计改进(31日,32]。许多技术已经开发,加强这类天线的增益,如那些基于介质透镜的使用(33- - - - - -35),超材料镜片(36),和寄生椭圆补丁37]。维瓦尔第的天线,end-fire辐射还可以用印刷来实现偶极子或蝴蝶结天线阵列,所示类似的组合(38]。

介质谐振器天线(dra)显示优良的高频应用特点,特别是mm-wave通信,遥感39]。半径标注功能低损失、效率高和宽的带宽和可以支持多个偏振,以及不同的辐射模式激发的合适的谐振模式(40,41]。半径标注大小成正比 ,这转化为控制天线的可能性维度通过适当地选择相对介电常数( )的材料形成的基本介质谐振器。半径标注很容易制造,使基于不同几何图形的设计灵活性好。半径标注的主要特点之一是缺乏传导损失的情况下,这使得它们非常有前途的候选人为mm-wave应用程序(42]。电大半径标注利用高阶传播模式被用来提高天线增益。与此同时,每个人都应该注意,带宽相对介电常数成反比,这可能会限制电介质材料的选择对于一个给定的应用程序(43]。

由于高增益和高效的特点,开放式的波导天线主要是用于数组mm-wave应用程序配置。这种类型的天线,但是,不是非常有吸引力的商业应用在mm-wave频率高于60 GHz因为固有的制造成本高、体积大的维度,并不是那么简单容易集成芯片或一个包比其他技术(15]。如今,这些限制已经克服的概念衬底集成波导(SIW)。传统的波导的优点是保留与SIW结构。SIW技术最近在mm-wave通信代替传统的输电线路由于有利的传播特性,如高品质因数的因素和高功率处理能力(44]。SIW技术的最重要的优点是为代表的可能性使所有系统组件的完全整合在同一衬底(45]。自从SIW组件是有界的,进行表面两侧的衬底,他们表现出极低(完全可以忽略不计)杂散辐射损失和外部电磁干扰的不敏感(工作)46]。Gap-waveguides也提出了在技术文献作为mm-wave无线通信的可能的解决方案(47]。Gap-waveguide技术确实提供了良好的性能在mm-wave频率由于相关的低损耗特性。Gap-waveguiding结构依赖于两个平行金属板之间的电磁波的传播,在传播方向上通过控制金属针,没有电接触盖子覆盖他们(48]。gap-waveguides的损失与常规波导的损失。

谐振腔天线(rca)也可以是类的天线要考虑mm-wave应用程序。rca特性非常高增益特性在一个狭窄的增益带宽的缺点3 dB的水平。rca的广泛审查提供了5 g无线通信(49]。

4所示。广角扫描多功能天车通信天线阵列

在本节中,我们提供了一个广泛的审查和比较最常见的广角扫描天线阵技术可以在mm-waves天车通信。天线阵列的解决方案被认为是这里有详细的表2绩效的相关数据(见图2(一个))评估。孔径效率( ),报道在表2计算,从天线增益特性通过以下公式50]: 在哪里G表示在孔径和峰值增益是天线结构的物理领域。

扫描损失相关的天线阵列在本文中说明了数据分析4(一)和4 (b)分别沿方位平面和高程平面,和比较理想的情况的行为。人能注意到最先进的解决方案具有扫描功能±60°但至少4 dB扫描的成本损失。

在[51),5 g通信链路28 GHz演示了使用64 -元素(8×8)叠片组成的相控阵天线。设计是基于四通道(2×2)传输/接收(硫氧还蛋白)波束形成锗硅BiCMOS芯片技术与6-bit相位控制。十六个芯片集成在总统夫人印刷电路板(PCB)包括一个合适的威尔金森权力分裂/合并网络。天线元素间距为5毫米(约0.5在水平方向上30 GHz)分开(约0.63和6.3毫米在30 GHz)在垂直方向,如图5。所选元件间的间距使最大扫描角沿方位平面±50°和25°±沿高程平面而实现sll相对较低(低于−10 dB)结合22.5 dBi的峰值增益和带宽4 GHz (GHz 28日至32 GHz)。天线阵列的特点是一个有效的各向同性的辐射功率(附近)的50 dBm和设计以这样一种方式,而不是需要一个专门的校准网络。它已经测试并验证了无线电联系在一个高达300米的距离。

宽带贴片天线阵列,可以同时支持两个线性正交偏振提出了(52]。天线阵列是由16个元素在一个4×4的配置优化操作之间的频带26 GHz, 31.4 GHz。从理论知道,传统的矩形或圆形贴片天线通常特性,而部分带宽有限,约7%53]。在[52),更广泛的操作是通过实现四个角落的圆形图样的基本方补丁(见图6)。个人辐射单元最大尺寸2.65毫米×2.65毫米,而图样的半径是0.95毫米。天线由两个元素是兴奋喂养针为了支持双线性极化。在最后的4×4阵列配置天线元素间距为5.5毫米(约0.57在31.4 GHz)除了彼此在水平和垂直方向。巴特勒阵列光束控制网络是基于矩阵(BM) [54,55),这是在一个电路板上实现尺寸为120毫米×70毫米×1.62毫米。数组的特点是最大扫描角42°±12 dBi和峰值增益水平。

微带阵列dipole-based操作在[28 GHz频段是详细的56]。聚四氟乙烯板15印刷偶极子是用来构造一个数组15×8配置。通过SMPM天线元素连接到印刷电路板连接器和保持在6毫米的中心到中心的距离。这支持一个波束扫描范围超过±50°方位平面,结合饱和附近孔径39.8 dBm。

一系列基于题目为回程应用60 GHz提出了在57]。单位细胞由slot-coupled微带贴片由四个辅助寄生的加载补丁(形成一个H-shape)。辅助补丁的位置被选为了扩大业务带宽而实现一个活跃的反射系数大小低于−10 dB 57 GHz之间的频率范围和66 GHz。瓷砖与48单位细胞设计6×8阵列配置。测量进行个别瓷砖显示峰值增益约22 dBi的孔径,下降3 dB在±45°和5 dBi±60°的扫描方位平面。当上述六个48-element瓷砖被放置在两行288 -元素组成一个数组,峰值增益为29.5 dBi。

作为记录在前一节中,微带天线尤其适合紧密集成与放大器等电路元件和开关,所以实现一个Antenna-in-Package (AiP) (58]。需要AiP技术将为应用程序在mm-wave频率显著增加。航已经被广泛用于5 g蜂窝网络部署28 GHz (59,60]。在[59),有关相控阵收发器24通道和双极化的支持。问题模块依赖于不同的天线阵列配置,如1×4偶极子阵列和2×4块阵列集成射频集成电路(芯片)。4×4块的BS利用天线阵2行伪元素的一个优势。测量与2×4对问题进行模块集成阵列显示未校准的扫描范围高达±45°的水平和垂直极化通道沿方位平面,而达到峰值附近水平是35 dBm 34 dBm水平极化和垂直极化。

类似的双极化设计问题(见图7)提出了61年]。有关2×4贴片天线阵列具有双重提要集成到一个翻转Chip-Chip规模包(FC-CSP)相对介电常数为3.9和8个金属层厚度的800μ米,总面积11.6毫米×22毫米。天线元素等于5.25毫米之间的分离(例如, 中心频率的28.5 GHz)。单个天线元素占地面积2.35毫米×2.35毫米和特性平均峰值增益5 dBi集成到一个数组时配置。完整的阵列显示峰值增益沿着侧向方向大约14 dBi,扫描范围±30°沿方位平面。27.5 GHz之间的频带和29.5 GHz,认为数组的最大值附近31.5 dBm。

天线模块操作提出了28个GHz (62年),如图8。在这个设计,多层相控阵天线由64双极化活性贴片天线和36虚拟元素。伪元素放置在数组的外围,而活跃的元素是由4射频ic。空腔实现下面所有的数组元素来提高带宽,同时,抑制寄生天线耦合过程。个人的测量峰值增益天线元素7 dBi 30.5 GHz。数组是声称扫描从−50°±50°附近大于50 dBm和特性。模块的尺寸为70毫米×70毫米厚度为2.3毫米。

航技术被广泛使用,同时,为智能传感和短程无线通信在60 GHz乐队。这方面的一个例子报道(63年),一个包集成6贴片天线设计以这样一种方式,大约10 dBi的结合获得。由于非常紧凑的尺寸,即14毫米×14毫米×0.8毫米,前面提到的AiP有潜力被集成到一个广泛的可穿戴设备(64年]。

w频段的使用技术5 g应用一直在调查(65年使用基于题目的可伸缩的架构相控阵)。个人瓷砖由5×5 aperture-stacked贴片天线阵分区分成16-element和8-element,除了一个伪元素。选择天线间距是0.63在90 GHz(即。,2。1 mm) along both the vertical and horizontal directions. In order to avoid grating lobes while scanning, it is advisable to keep the array elements at a separation smaller than or equal to 0.5 。然而,这样的布局不能实现(65年因为设定的物理约束采用射频解决方案的局限性以及采用PCB的制造过程。发达单瓦覆盖频率范围从80兆赫到100兆赫,模拟的方向性,增益,和效率比18.5 dBi, 18 dBi,和87%,分别。16个数组瓷砖的集成结果在总附近的60 dBm和波束宽度小于4°90.7 GHz。2 d光束控制函数可以通过集成任意数量的瓷砖。

维瓦尔第的天线阵列提出了5 g移动终端(66年]。设计由8沿着边缘设备的PCB天线元素集成和优化以这样一种方式,以特性的一个中心工作频率28 GHz业务带宽大于1 GHz。数组的特点是扫描范围±70°的总效率超过84%。阵列光束的峰值增益显示近平大约12 dBi扫描范围从40°±的瞄准线。

另一个有趣的解决方案广角扫描阵列是由半径标注技术。引入半径标注在文学的历史可以追溯到1983年,长等人提出了第一个详细的共振模态分析圆柱形介质空腔(67年]。之后,半径标注已被用于各种各样的应用程序在一个宽的频率范围内,从55兆赫到340兆赫(43]。相关研究对mm-wave天线阵列半径标注技术的应用为5 g应用提出了(68年]。数组名示威者讨论的研究显示在图9。每一个平行六面体半径标注元素形成阵列结构是由槽光圈,反过来,兴奋的间接耦合通过专用的微带线。数组元素是放置在一个均匀间隔的8×8网格在喂养网络集成到一个PCB的总体规模63毫米×69毫米。结果表明,总效率大于80%实现频带GHz 28日至30 GHz结合最大扫描范围±60°的方位角和仰角的飞机。所显示的实现获得数组沿着侧向方向是关于23 dBi 28 GHz,最低为21.5 dBi 24 GHz的频率范围对面30兆赫。

相关设计方案5 g BSs基于gap-waveguide技术提出了(69年]。在这个研究中,一个隙缝天线阵列天线实现通过一个完全集成的全金属多层组装。Waveguide-like喂线实现使用人工磁导体,而不需要数组结构形成的层间的电气连接。这使得与substrate-based组件集成。辐射天线层由一个8×8组插槽,特点是一个活跃的反射系数大小低于−10 dB的宽频率范围从26.5 GHz 31 GHz。23 dBi的阵列特征峰主瓣增益最大扫描范围的±45°沿方位平面沿高程面和±10°。

在[70年),提出了基于紧凑的角的相控阵天线。这样的数组是优化操作的26.5 GHz - 29.5 GHz频段。一个2×2子数组被用作构建块实现一个可伸缩的 数组中。子阵列,每个辐射单元的饲料是5.84毫米的距离从相邻的元素在垂直和水平方向。数值模拟的结果4×4阵列,如图10,显示扫描能力±45°沿方位平面与峰值增益从21.48 dBi dBi的23.99。数组已经扩大到8×8数组元素,在这种情况下,主瓣增益之间的水平由dBi dBi的27.81和29.99。

在[71年使用多模喇叭天线,相反,与稀疏线性阵列配置拓扑。个人辐射单元的大小是2.0×1.8在28.5 GHz。这导致峰值增益为11.5 dBi结合120°沿方位平面扫描范围的数组。结果表明,不规则的稀疏阵列可以提高系统的性能通过减少中断概率的概率(指承运人噪声比低于3 dB)。

另一个角和gap-waveguide技术是由开放式波导阵列的使用。中给出的设计(72年)能够扫描±60°沿着主要的飞机。这种技术的缺点,然而,更复杂的制造过程。此外,这种辐射的集成与印刷电路和组件结构还不成熟,需要进一步的研究。

到目前为止提出的设计概念利用相移和可变增益放大器为每个天线元素为了实现波束形成。这需要使用多个耗电ICs。在[73年,74年),另一种解决方案是,使用镜头的调查作为替代ICs说。报告的镜头的阵列天线(75年)优化5 g天车无线通讯mm-wave频率。原型图所示11。辐射的基本结构是由一个标准的4×4补丁天线阵55毫米×55毫米大小。个人贴片天线的大小是3.05毫米×3.05毫米的元件间的间距在30个GHz的频率。设计依赖于双曲介质透镜由聚乙烯制成,直径155毫米。这个概念是基于个人的独立控制补丁天线集中辐射梁在不同的方向根据合适的射束交换计划。辐射结构的工作频带很窄,仅限于从27.8 GHz 28.4 GHz。考虑设计的峰值增益实现是约12.12 dBi的改进约8 dBi相比没有集成介质透镜相同的辐射结构。最大的扫描范围是大约15°,但所(75年),这可以进一步提高了使用高阶贴片天线阵列配置。

另一个替代混合波束形成的概念是由焦平面阵列(成就)76年,77年]。类似于透镜天线的使用,他们提供了一个更为有限扫描范围,这使得这些概念,一般来说,不太适合铝电解的应用程序。

5。高增益数组Antenna-Based PtP通信的概念

在本节中,我们概述可用天线阵的概念和技术对于mm-wave PtP通信。对于这样的应用程序,关键是天线波束宽度和方向性设计方面。这些需要被小心地防止系统性能优化失败由于不必要的偏差。大部分的PtP无线链接实际上为洛杉矶通信设计在户外场景设备暴露于天气和环境因素可能导致的服务质量(QoS)的降解。反射镜、透镜或半径标注、成就和reflectarrays通常更喜欢其他类型的辐射结构经由通信由于他们显示的高增益特性。但是,替代天线技术可以提供解决方案在特定的场景中,往往采用(8]。mm-wave PtP通信天线概念综述了研究表中所示3。

由于相关的高增益的特点,reflectarrays 5 g应用程序变得有吸引力。提出的解决方案(78年)是一种reflectarray基于微带贴片天线。数组操作在两个频段(约27个GHz和32 GHz)集成的两套辐射元素涵盖每一个乐队,另行规定。一个喇叭天线作为喂养结构。正如作者所提到的,视为reflectarray不是优化的带宽,和信息在这方面并不可用。优化设计是支持双极化。这样的表现是通过适当的辐射元素旋转90°。2×2块组装构成子阵列单元的总体规模5.5毫米×5.5毫米(0.58在32个GHz)。每个频段的反射阶段纠正/极化独立优化每个元素的尺寸。的总大小reflectarray基于15×15子阵列配置是大约82.5毫米×82.5毫米。峰值增益为27.5 dBi是观察到32 GHz。因为相对较小的尺寸,设计受溢出损失导致孔效率高29%的32个GHz 27 GHz和38%。

提出在[reflectarray79年)操作频率范围从30 GHz 40 GHz而不是基于半径标注元素的使用。单位细胞有一个圆形,四臂,及相关半径调整在一个合适的方式从中心转移到边缘的reflectarray所以合成所需的反射相位响应。单位细胞结构中嵌入446,安排在一个圆形阵列的最大半径60毫米。使用喇叭天线馈线。选择半径标注作为基本辐射元素允许去除导体损失,通过这种方式,获得明显高的峰值增益为23.9 dBi 34 35 24.8 GHz和dBi GHz。

在[80年),非常高增益特色reflectarray在宽频率范围。为此目的而采用的设计方法是基于一个空间色散补偿的概念。reflectarray是由单层印刷结构组成的补丁和双环(multiresonant)元素与正确选择维度,根据圆形阵列计划安排。数组的最大半径为350毫米,分为两个方面:第一个方面,接近中心,是由双元素,而第二个区域,走向边缘,是由块元素。frequency-phase响应的每个元素,通过这种方式,补偿色散过程引起的不同的传播路径。认为reflectarray特点是峰值增益在34个GHz 37.8 dBi, 36 dBi的最低水平在整个操作从26个GHz 35 GHz频段。

正如上面提到的,镜头通常用于经由无线通信,由于他们的能力大大提高天线增益。中给出的设计(75年再次证明了这一点。传统贴片天线作为基本辐射单元6 dBi的峰值增益。多亏了一个合适的立方镜的集成,是增加了12 dBi的增益水平。单个天线的尺寸,包括镜头,50毫米×50毫米×60毫米。辐射元素可以很容易地安排在一个线性或平面阵列配置。测量1×4数组和数组2×2显示峰值增益约25 dBi 28 GHz。

在[81年),一个圆极化介质谐振器天线阵mm-wave频率。为了实现圆极化,x形槽蚀刻离地面飞机所以激发辐射元素同时消除需要更复杂的pin探测器。为了提高带宽的数组,顺序给网络使用,同样的设计理念说明(82年]。模拟阻抗带宽扩展从24.1 GHz 31.1 GHz,而模拟轴向比率(AR)带宽3 dB水平延伸到26.9 GHz 33.7 GHz。天线结构实现,30兆赫,工作频率的峰值增益为12.44 dBi安排在一个2×2 16.29 dBi的阵列方案和4×4的配置。

一个有吸引力的替代解决方案与传统介质谐振器阵列mm-wave申请报告(83年]。这里,人造网格介质谐振器天线(GDRA)是优化以这样一种方式,以提供高增益结合宽带mm-wave频率特征。个体的大小GDRA只有2.7毫米×2.7毫米×0.5毫米(即。,0.29×0.29×0.05在32.2 GHz)。每个GDRA连着衬底和兴奋通过槽的长度选择约 ,与表示的有效波长。SIW通道的实现槽微带技术结合合适的过渡。GDRA元素安排在1×4或者1×8阵列配置,如图12。eight-element数组显示了一个阻抗带宽10 dB回波损耗水平的5.3 GHz(即。,from 29 GHz to 34.3 GHz) with an improvement of 2.65 GHz as compared to the four-element array. The peak realized gain of the eight-element array is 12.13 dBi against 10.2 dBi featured by the smaller configuration. An efficiency level above 85% across the relevant operational frequency band is reported for both arrays. The same design solution can be tailored for applications at 60 GHz as documented in [84年]。这里,GDRAs特征在4×4和8×8阵列配置。操作乐队从56.5兆赫到63兆赫在前一种情况中,来自55个兆赫到62兆赫在后一种情况下。实验测量进行了4×4和8×8 GDRA数组显示dBi dBi峰值增益为15.2和19.4,分别。根据作者建议的解决方案提供了一个低调和更广泛的阻抗带宽相比传统的半径标注。

一个3 d印刷喇叭天线阵列研究[85年]。使用这样的辐射单元,一个16×16数组包括企业全额充气波导网络为操作而设计的卡乐队。整个足迹视为数组的大小大约是14厘米×14厘米。的最大侧向获得33.8 dBi,而阻抗带宽10 dB回波损耗水平28.2 GHz 35.8 GHz。据报道,辐射效率约85%在操作频带的中心。

在[86年),4×4的slot-coupled维瓦尔第天线(SCVAs)。结构优化的5 g无线通信和宽的阻抗带宽,演示了从25 GHz 40 GHz,结合高增益特性。事实上,个人SCVA 13 dBi的峰值增益特性。另一方面,4×4数组(见图13)显示了一个较宽的增益为22.3 dBi 28岁24.1 GHz和dBi 38 GHz。

SIW技术是经常采用的喇叭天线操作易于制造和集成mm-wave频率(87年- - - - - -89年]。一个相关的例子可以发现在88年),1×4批空心SIW (HSIW) h平面喇叭天线实现使用传统的廉价虽然有损,FR4分层。在这样的假设,HSIW技术提供了一个有效的方法避免/减少介电损失。单独的喇叭天线元素的大小18毫米×25毫米×2.8毫米,而长介质加载用于改善阻抗匹配特性,如图14。据称,辐射结构特点的效率66.5%从27.6 GHz 38.1 GHz频段工作,结合最大增益为17.2 dBi实现的。

介绍了不同方法在文献中提高增益和SIW-based喇叭天线的阻抗匹配特性。在[87年),多孔介质板用于正确加载角,而在89年),喇叭天线增益提高了使用一个椭圆介质透镜。

在[90年),一本小说SIW-based喂养网络和共面波导(CPW)美联储cooptimized数组以这样一种方式,实现大带宽的基于“增大化现实”技术的应用卡乐队。在考虑设计使用的基本辐射元素是堆叠微带天线。数组是由4×4子数组,每个子数组组成的4×4叠补丁。相关的驱动补丁中间嵌入层如图15。数组的总体规模是106毫米×90毫米×1.016毫米。辐射方向图特性强光栅叶自邻近驱动补丁之间的距离是1.35 。测量显示带宽2 dB AR水平从25.25 GHz 32.6 GHz结合峰值增益为20.32 dBi 30.5 GHz。

固定梁应用,开槽波导代表测深解决由于高增益和高效的特点。在提出的数组91年)是一个32×64槽阵列天线波束宽度与不平等在相关水平和垂直的飞机。测量结果显示回波损耗高于14 dB在整个频带从71兆赫到81兆赫和39.4 dBi的峰值增益水平。中给出的设计(92年相反,是基于gap-waveguide高增益开槽天线阵技术。天线设计元素是使用槽脊和倒置微带的解决方案。数组包含16×16散热槽,覆盖了从57兆赫到66兆赫频段,峰值增益约33.3 dBi的中心带结合一个SLL−12分贝以下。

就像前面提到的3天线增益高,还可以通过rca的手段。作为一个例子,描述的2×2数组(93年依赖于一个法布里-珀罗谐振天线结构。个人数组元素包含一块切角斜槽,顺序和每个天线旋转90°为了提高相关的隔离。被广泛视为数组的特点是3 dB AR带宽范围从26个GHz 31.3 GHz,结合峰值增益为14.1 dBi 28 GHz。

在图16、孔径效率计算的(4),每个设计理念对于mm-wave PtP的相对带宽通信分析在本节说明。人能注意天线阵列波导/ gap-waveguide技术制造的倾向于功能孔效率高和宽的带宽。正如在前面的章节所讨论的,这样的好处是显著的更大的复杂性和更昂贵的制造过程。此外,这种技术并不适用于双极化特性的支持像现在一般为5 g通信天线系统所必需的。

旁边的概述在表3,重要的是要强调几个研究小组已经开发出替代设计方法获得增强的阵列天线(94年- - - - - -99年]。在[98年直槽横向介绍),一片的中心。槽作为次级散热器导致天线增益的提高没有增加补丁大小约1.7 dB。在[99年电磁带隙)],电磁带隙(结构已被用来提高一个2×2的增加贴片阵列天线操作60 GHz。电磁带隙结构的优点是抑制TM-mode表面波(99年),导致4 dB的增益增强。另一方面,设计方案说明(97年)使一个可测量的增益增加由于集成的电介质superstrate圆洞。结合一个2×2平方贴片天线阵列,使用上述superstrate结构导致更大带宽的15.35%,近平获得16 dBi的频率范围从26.5 GHz 30.8 GHz。

6。分析和讨论

前面几节中提供的先进的概述了现有天线的各种概念的味道在文学;他们每个人都具有不同的性能,福利,和局限性。对于mm-wave应用程序,易于制造和高水平的集成是关键。并不少见,一个特定的天线选择技术是主要的基础上制造成本和集成约束即使很大程度上导致次优的射频特性如增益、效率和带宽。给定的天线的辐射特性元素也在技术选择过程的一个重要因素。较宽的天线通常更容易融入阵列配置,而end-fire辐射元素是最适合边缘融合。迄今为止,微带贴片天线是最辐射元素用于mm-wave数组,尽管微带技术严重遭受物质损失和性能限制表示频率。

设计的挑战之一mm-waves与正确的知识相关联的材料属性。更短的波长,它肯定不是简单的描述介电材料具有高准确性。此外,制造商通常会提供数据表,详细的信息关于他们自己的复介电常数的材料只有10 GHz。这是一个决定性的差距甚至可能缺点因为辅助材料,如阻焊层可能导致不可预见的损失考虑频率当被忽视One hundred.]。

主要的两种类型的损失mm-wave频率是导体和介质损失,前者是通常比后者更严重。售票员损失迅速增加,频率,由于皮肤的效果。皮肤深度量化如何接近给定导体表面电流流动(101年]。当皮肤深度约等于导体的粗糙度,电流是注意到产生重大影响。事实上,说条件下,表面粗糙度引起的寄生电感增加,反过来,插入损耗的102年]。导体高熔点、低电阻率、低表面粗糙度的水平,和良好的可焊性,首选为高频电路设计(103年]。说特色最常见的导体是铜、金、银、铝、和钯银合金(103年]。

在mm-wave频段,电薄介质基板的假设可能不再有效(104年]。在厚底物的存在,表面波模式删除感到兴奋,这样,权力从主光束辐射过程;正因为如此,他们可以被看作是一个损失机制12]。

材料的选择mm-wave天线阵设计也是相关的另一个重要的挑战,即热管理。越来越多的研究正在致力于这个问题(105年),和高效的天线是重要的减少的欧姆损失导致整体功耗预算。在这个角度看,看到在前面的部分中,半径标注和波导阵列显示良好的性能在mm-waves由于它们表现出高效、低损耗的特点。

7所示。结论

在这篇文章中,一个广泛的概述的艺术状态的最新的天线阵mm-wave通信解决方案。在手稿的第一部分,讨论了发展挑战在mm-wave频率特别关注与小型化天线集成方面,以及约束相关信道传播特性和成本和节能系统设计的必要性。在随后的章节中,天线技术的最新发展为高频应用调查,而突出的优点和缺点最相关的设计在科技文献中可用。为了给读者提供一个理性的分类,两个不同的用例已确定:天车与无线通讯。前者需要使用wide-scanning数组,而后者依靠高增益定向天线技术。

对于第一个用例场景,贴片天线阵列广泛应用由于辐射特性,使广角扫描相关的飞机。同时,半径标注解决方案也在这方面成为有前途的候选人。对于第二个用例场景,相反,reflectarrays,成就,镜头或介质谐振器是其他数组技术优先。在这两种情况下,集成和可制造性的关键方面的选择合适的天线技术,而应采用专用的设计方法以这样一种方式以确保最佳的扫描性能稳定,低损耗,高效的特点。

在未来,将提供重要机遇的出现,6 g通信系统广泛的频段将成为可以在更高的频率。同时,新的挑战需要解决,例如那些与逐步提高传播损失和电子电路和天线之间更紧密的集成子系统。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作进行了框架的顶部财团知识和创新(TKI)项目“Arrays5G”运行共同天线公司和埃因霍温科技大学。

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