引言

第五代（5G）網絡通信系統主要工作在毫米波波段，預計可以提供數千兆的數據速率，這是目前使用無線服務（包括低于6 GHz的頻段）所無法實現的。

在研究中，印度德里國家技術學院Ravi Kumar Arya研究團隊簡要綜述了幾種現有的用于5G應用的毫米波相控陣設計。

首先，介紹了低剖面天線陣列設計，包括固定波束和僅在一個平面上掃描波束的兩種設計類型。

隨后，介紹了具有二維（2D）掃描能力的陣列系統，該系統對于大多數5G應用而言具有重要意義。

接下來，在本研究的主體部分，討論了兩種不同的掃描陣列設計策略，這兩種策略都規避了用傳統移相器來實現波束掃描。

值得注意的是，因為在毫米波波段傳統的移相器損耗高且價格昂貴，所以找到一個能替代傳統移相器的器件是非常必要的；此外，諸如包括射頻放大器在內的有源移相器等替代品也是既昂貴又耗電的。

在此背景下，本研究提出了兩種不同的天線系統，這兩種天線系統在毫米波范圍內具有理想的2D掃描性能。

第一種天線系統是龍伯透鏡，該透鏡由2D波導陣列或微帶貼片天線陣列激勵，以實現2D掃描能力。

第二種天線系統是相控陣設計，該設計采用可切換的PIN二極管或變容二極管取代傳統移相器，并將二極管插入波導中的輻射槽之間，從而為掃描提供所需的相移。

最后，討論了幾種通過修改傳統陣列配置來提高陣列增益的方法。

本研究還介紹了通過使用可重構的超表面類型的面板來實現一維（1D）和2D掃描的新技術。

最近人們對在Ka波段（即毫米波）運行的第五代（5G）網絡通信技術頗有興趣，該技術可以提供數千兆比特的更高數據速率，而這是目前使用無線服務所無法實現的。

由于毫米波（mm-wave）相控陣天線存在許多理想的特性，包括高增益、更高的傳輸速率和更短的延遲，因此勢必會在5G應用中發揮重要作用。

最近，已經報道了一些針對5G應用的毫米波相控陣設計的研究。

該相控陣配置通過減少干擾，實現基站與移動設備之間的高通信速率，為人口密集地區的用戶提供服務。

此外，有人認為波束切換對于解決未來毫米波5G應用的挑戰至關重要，因為波束切換提供了高功率效率和寬角掃描覆蓋的大信道容量。

部分研究提出了低剖面天線陣列設計，該設計在高頻下具有良好的性能；然而，該設計只能使用機械手段在一個平面上掃描波束。

近年來，部分研究人員提出了利用基片集成波導、巴特勒矩陣、印刷脊隙波導（RGW），以及由脊隙波導巴特勒矩陣饋電的磁電偶極子天線陣列等結構實現的波束切換網絡。

與此，部分研究中還提出了一種一維（1D）波束掃描技術，通過利用機械旋轉，該技術在增益、副瓣電平（SLL）等方面的性能隨方位角的不同而變化。

此外，最近的一項研究有望成為固定波束和掃描陣列的一個良好的參考。

在研究中，印度德里國家技術學院Ravi Kumar Arya研究團隊討論了兩種不同的掃描陣列設計策略，這兩種策略都避免使用傳統的移相器來實現波束掃描。

這在毫米波范圍內是一個非常重要的理想特點，因為傳統的移相器存在損耗且價格昂貴。該問題的一個快速解決方案是使用一個包含射頻（RF）放大器的有源移相器。

雖然這種解決方案改善了損失問題，但不幸的是，該方案加劇了成本高的問題。

與此，該方法使天線系統高度耗電，這顯然是不可取的。

這些掃描天線需要實現高增益，并在天線掃描視角范圍內保持這種增益，所以本研究基于此解決了上述設計問題。

此外，印度德里國家技術學院Ravi Kumar Arya研究團隊還介紹了開槽波導陣列的孔徑天線，這些天線能夠提供高增益、寬帶寬、低剖面和相對簡單的配置，因而被廣泛用于高頻應用。

部分研究描述了可適用于目前應用的低剖面孔徑天線。然而，這些天線在毫米波狀態下的設計仍需改進。

本研究提出的兩種類型的設計似乎顯示出了超過傳統設計（包括傳統相控陣列、凸透鏡或平透鏡、羅特曼透鏡、超表面反射陣列和帶有巴特勒矩陣的陣列）的潛力（圖1）。

圖1.替代透鏡設計。（a）不同圓盤的位置。hn：第n個圓盤高度；n：圓盤數；Diskn：第n個圓盤。（b）透鏡中心附近的圓盤平面。（c）透鏡最末端的圓盤。

印度德里國家技術學院Ravi Kumar Arya研究團隊綜述了用于固定波束和掃描應用的幾種不同的陣列天線設計，并簡要討論了一些傳統的陣列設計；研究結果表明，與其他高增益天線（如反射面、反射陣列以及傳統或平面梯度折射率透鏡）相比，這些陣列可以實現的剖面相對較低。

他們還描述了一些新的設計概念，這些概念不使用既有損耗又昂貴的傳統移相器，也能提供波束掃描能力。

因此，本研究提出的方法是用插入在陣列元件之間的可切換通道取代傳統的鐵氧體型移相器，或者使用可重構的超表面面板進行掃描，并且這些方法幾乎沒有掃描損失。

本研究還提出了一種龍伯透鏡設計（圖2），其中包括用于二維（2D）掃描的一種包含微帶貼片天線的陣列饋電，其掃描性能普遍優于現有的相控陣設計，但該設計需要一種具有可切換元件的陣列饋電類型來掃描波束。

最后，5G應用中高增益、低剖面、極化多樣、固定波束和掃描天線的設計是一個非常活躍的研發領域，希望本研究能夠引起研究人員對這一領域產生更深的興趣，以應對已經確定的挑戰。

圖2. 龍伯透鏡設計。（a）等距視圖；（b）俯視圖。

審核編輯：劉清