最近人們對在Ka波段（即毫米波）運行的第五代（5G）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)頗有興趣，該技術(shù)可以提供數(shù)千兆比特的更高數(shù)據(jù)速率，而這是目前使用無線服務(wù)所無法實現(xiàn)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(yīng)用中發(fā)揮重要作用。最近，已經(jīng)報道了一些針對5G應(yīng)用的毫米波相控陣設(shè)計的研究。該相控陣配置通過減少干擾，實現(xiàn)基站與移動設(shè)備之間的高通信速率，為人口密集地區(qū)的用戶提供服務(wù)。此外，有人認(rèn)為波束切換對于解決未來毫米波5G應(yīng)用的挑戰(zhàn)至關(guān)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。參考文獻(xiàn)中提出了低剖面天線陣列設(shè)計，該設(shè)計在高頻下具有良好的性能；然而，該設(shè)計只能使用機械手段在一個平面上掃描波束。近年來，研究人員提出了利用基片集成波導(dǎo)、巴特勒矩陣、印刷脊隙波導(dǎo)（RGW），以及由脊隙波導(dǎo)巴特勒矩陣饋電的磁電偶極子天線陣列等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的波束切換網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)中提出了一種一維（1D）波束掃描技術(shù)，通過利用機械旋轉(zhuǎn)，該技術(shù)在增益、副瓣電平（SLL）等方面的性能隨方位角的不同而變化。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。本文討論了兩種不同的掃描陣列設(shè)計策略，這兩種策略都避免使用傳統(tǒng)的移相器來實現(xiàn)波束掃描。這在毫米波范圍內(nèi)是一個非常重要的理想特點，因為傳統(tǒng)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。此外，該方法使天線系統(tǒng)高度耗電，這顯然是不可取的。這些掃描天線需要實現(xiàn)高增益，并在天線掃描視角范圍內(nèi)保持這種增益，所以本文基于此解決了上述設(shè)計問題。本文首先介紹了開槽波導(dǎo)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(yīng)用。參考文獻(xiàn)描述了可適用于目前應(yīng)用的低剖面孔徑天線。然而，這些天線在毫米波狀態(tài)下的設(shè)計仍需改進(jìn)。

本文提出的兩種類型的設(shè)計似乎顯示出了超過傳統(tǒng)設(shè)計（包括傳統(tǒng)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。

本節(jié)提出了兩種寬角掃描陣列設(shè)計，兩種設(shè)計都通過使用饋電結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)方位角為-φ ~ +φ（其中φ是方位角）和仰角為+θ ~ -θ（其中θ是極角）的掃描范圍，從而激勵龍勃透鏡；二者的掃描范圍都很寬，為40°（仰角）~50°（方位角）。第一種設(shè)計采用類似鴿籠結(jié)構(gòu)的平面波導(dǎo)陣列饋電。第二種設(shè)計采用帶有開關(guān)電路的貼片陣列進(jìn)行饋電，通過以光柵掃描的方式切換貼片饋電透鏡的窄波束，實現(xiàn)大范圍的信號覆蓋。龍勃透鏡天線在接收模式下的基本工?_r）分布，如等式（1）所示；當(dāng)透鏡在接收模式下工作時，會將入射平面波聚焦在與入射側(cè)相對的平面的點上。

式中，r是到透鏡中心的距離；R是透鏡的半徑。

圖1. 龍勃透鏡的操作原理。r：距透鏡中心的距離；R：透鏡的半徑；O：焦點。

通過仿真展示了11層龍勃透鏡，其中透鏡由其底部6 × 6的波導(dǎo)陣列饋電。該透鏡的指定直徑（2 × R）為63.5 mm，有10個內(nèi)層（每層厚度為3 mm），最外層厚度為1.75 mm。不同層的介電常數(shù)可根據(jù)等式（1）計算。核心層的介電常數(shù)為2.0，最外層的介電常數(shù)為1.05。波束掃描是通過打開位于波導(dǎo)底部的“打開”和“關(guān)閉”饋源來完成的，一次打開一個，將波束指向所需的方向。參考文獻(xiàn)[30]表明，這種龍勃透鏡設(shè)計在方位角和仰角方向的掃描角度最高可達(dá)72°，而且方向圖幾乎不會劣變，掃描損失相對較小。類似的設(shè)計如圖2所示，其中使用的是5 × 5波導(dǎo)陣列。通過激勵單波導(dǎo)實現(xiàn)的典型方向圖如圖3所示。

圖2. 龍勃透鏡設(shè)計。（a）等距視圖；（b）俯視圖。

圖3. 當(dāng)一個波導(dǎo)（波導(dǎo)13）被激勵時，龍勃透鏡天線的方向圖。dBi：相對于各向同性天線的增益。

為了便于制造，在不影響性能的情況下需盡可能減少龍勃透鏡的層數(shù)。為了實現(xiàn)這種設(shè)計，需要優(yōu)化介電常數(shù)的分布，而不是像原來的11層情況那樣，將連續(xù)的分布進(jìn)行離散化。優(yōu)化后的分布如表1中第一列所示。

表1　不同透鏡層的單元尺寸屬性 

dB: decibel; |S₂₁|: transmission coefficient; W: the width of air void; l: the width of dielectric column in unit cell.

表1列出的所需材料并非商用現(xiàn)貨（COTS）。然而，采用人工合成的電介質(zhì)來制造透鏡，可以解決這個問題。下面描述了兩種可用于此目的的不同技術(shù)。第一種技術(shù)采用激光鉆孔工藝（即機械鉆孔），而第二種技術(shù)依賴于增材制造技術(shù)[即三維（3D）打印]。

方法1：透鏡設(shè)計的電介質(zhì)中的激光切割孔。對于激光切割或機械鉆孔，使用現(xiàn)成的電介質(zhì)板和介質(zhì)片上的鉆孔來合成表1中規(guī)定的球殼的介電常數(shù)值。激光或計算機數(shù)控鉆孔技術(shù)作為兩種已經(jīng)成熟的技術(shù)，均可用于此目的。采用孔片法制造的龍勃透鏡由許多層組成，層數(shù)由介質(zhì)片材料的厚度和透鏡的直徑?jīng)Q定。因為當(dāng)沿著球體從赤道上升到極點時，孔型會隨著層數(shù)的變化而變化，所以必須仔細(xì)確定孔型。由于對基于經(jīng)典有效介質(zhì)理論的堆疊孔盤的有效介電常數(shù)的估計不夠準(zhǔn)確，因此有必要對穿孔盤進(jìn)行數(shù)值仿真，以確保穿孔盤能準(zhǔn)確地仿真合成的人工介電環(huán)。

方法2：透鏡的3D打印。合成人工電介質(zhì)的另一種方案是使用3D打印技術(shù)。有關(guān)人工電介質(zhì)設(shè)計的理論基礎(chǔ)可以在參考文獻(xiàn)中找到，此處不再贅述。

用于人工電介質(zhì)設(shè)計的熱塑性聚乳酸（PLA）的介電常數(shù)（?_r）為2.72，PLA是一種非常常用的3D打印材料。該方法通過在COTS材料中插入空隙來修改介電常數(shù)，如表1所示。為了說明透鏡的設(shè)計，選擇一個周期為2 mm × 2 mm且由空隙和電介質(zhì)組成的單元，如圖4所示。所設(shè)計的單元及其所需的尺寸如表1所示。設(shè)計的單元有低于0.4 dB的插入損耗。

圖4. 龍勃透鏡的單元（不同的視圖）。（a）俯視圖；（b）透視圖。

除了上面討論的方法外，另一種設(shè)計龍勃透鏡的方法是使用具有不同介電常數(shù)的介電材料，并按照龍勃透鏡設(shè)計中所需的介電常數(shù)來制造，具體如表1第1列所示。6層透鏡的直徑為14.5 cm，天線的工作頻率范圍為24~28 GHz。仿真的|S₁₁|（|S₁₁|為反射系數(shù)大?。┖屯哥R的實際增益分別如圖5（a）、（b）所示。值得注意的是，這種設(shè)計的制造成本可能會很高，因為所需的介電常數(shù)必須通過混合不同的介電材料來實現(xiàn)。制造后透鏡的質(zhì)量為1.2 kg。

圖5. 龍勃透鏡的仿真響應(yīng)。（a）|S₁₁|；（b）實際增益。

圖6（a）展示了具有開放式波導(dǎo)饋電的龍勃透鏡的測量裝置。圖6（b）、（c）分別展示了在φ = 0°平面和φ = 90°平面時，透鏡在26 GHz下的歸一化方向圖。透鏡在26 GHz下的仿真增益為30.7 dBi（其中dBi表示相對于各向同性天線的增益），而測量的增益為29.2 dBi。研究還發(fā)現(xiàn)，透鏡在邊射面提供了29.2 dBi的穩(wěn)定增益，即使在寬角掃描下，增益也保持在這個水平；也就是說，掃描損失達(dá)到了最小，這是龍勃透鏡的一個重要優(yōu)勢。

圖6. 直徑為14.5 cm的6層龍勃透鏡天線的測量設(shè)置和方向圖。（a）測量設(shè)置；（b）φ = 0°平面；（c）φ = 90°平面。

為了降低成本和簡化制造工藝，采用PLA填充法設(shè)計了直徑為14.5 cm的透鏡。透鏡的最外層（第6層）沒有采用3D打印技術(shù)，相反，使用了介電常數(shù)為1.15的泡沫材料。然而，內(nèi)部的5層都是3D打印的。3D打印透鏡（內(nèi)部5層）如圖7所示。

 圖7. 3D打印的龍勃透鏡。

如圖10所示，本文設(shè)計了一個5 × 5共形貼片陣列（圖8、圖9），為龍勃透鏡饋電，以驗證其掃描性能。陣列相鄰元素之間的邊緣分離距離為1 mm。將共形陣列（圖9）放置在龍勃透鏡的表面上進(jìn)行激勵，如圖10所示。在24~28 GHz的整個頻段內(nèi)，反射系數(shù)和隔離系數(shù)均優(yōu)于10 dB。波束掃描是通過切換透鏡的饋電元件（即貼片）來完成的，一次一個，以便將波束指向所需的方向。φ = 90°平面的二維（2D）仿真輻射圖如圖11所示。在φ = 0°平面的2D仿真方向圖中也觀察到類似的行為，如圖12所示。圖11和圖12展示了使用特定端口（端口0至端口8）時的波束掃描性能。需要注意的是，最大掃描角度為±12°（因為陣列的尺寸相對較?。?。通過增加饋電陣列的大小，可以實現(xiàn)更大的掃描范圍。

圖8. 帶有雙極化饋電的單貼片天線元件（所有尺寸均以 mm為單位）。（a）俯視圖；（b）底視圖。

圖9. 5 × 5共形數(shù)組。（a）底視圖；（b）俯視圖。

圖10. 5 × 5共形陣列激勵龍勃透鏡。（a）俯視圖；（b）主視圖。

圖11. φ = 90°時的2D仿真方向圖。（a）對不同有源饋電元件的增益響應(yīng)；（b）不同有源饋電元件的位置。 

雖然3D打印方法通用性強，但由于需要將制造公差控制在1 mm的分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，因此保持透鏡構(gòu)件的精度仍具有挑戰(zhàn)性，如圖6所示。需重新考慮上述的方法1，通過對?_r為2.47的純藍(lán)色材料片進(jìn)行堆疊和鉆孔，將其人工合成為透鏡所需的介電材料，如表1所示。圖13（a）展示了沒有最外層殼的球形透鏡，該透鏡使用了一種“真實的”材料，即一種介電常數(shù)接近1.15的泡沫型材料。圖13（b）、（c）展示了兩個不同的圓盤及其孔型，其中第一個圓盤在赤道處，而第二個圓盤則更靠近極點。總共需要90個“孔洞型”（holey）圓盤來形成球體，而球體沒有最外層的殼。

圖12. φ = 0°時的2D仿真方向圖。（a）對不同有源饋電元件的增益響應(yīng)；（b）不同有源饋電元件的位置。

圖13. 替代透鏡設(shè)計。（a）不同圓盤的位置。h_n：第n個圓盤高度；n：圓盤數(shù)；Disk_n：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。

孔徑陣列在理想工作頻率下的2D掃描波束并不是5G孔徑陣列設(shè)計所面臨的最后一個挑戰(zhàn)，因為可能還需要多極化。大多數(shù)基于波導(dǎo)的天線陣列沿期望的頻率范圍存在線性極化。天線陣列的圓極化對網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用非常重要，下一節(jié)將介紹通過電磁波的線性和雙線性極化實現(xiàn)圓極化的步驟。

（一）使用電子開關(guān)移相器對基片集成波導(dǎo)陣列進(jìn)行波束掃描

對于5G通信系統(tǒng)，近年來研究人員已經(jīng)提出了大量的波束賦形技術(shù)，以應(yīng)對在試圖取代傳統(tǒng)移相器時遇到的挑戰(zhàn)（當(dāng)與有源電路結(jié)合以減輕損耗問題時，傳統(tǒng)移相器既昂貴又耗電）。本文提出了一種新的技術(shù)，通過使用電子開關(guān)電路修改兩個連續(xù)輻射元件之間的電路徑長度來實現(xiàn)所期望的相移。通過在輻射元件之間引入導(dǎo)軌的彎曲部分，并通過使用PIN二極管或變?nèi)荻O管切換通道的“開”或“關(guān)”來修改這些部分的有效長度，從而在SIW中實現(xiàn)移相器的功能。

本文提出了兩種不同的方法來實現(xiàn)所期望的相移。第一種方法是通過改變彎曲部分中通道的位置和數(shù)量來改變通過該部分的波路（圖14和圖15）；第二種方法是通過激活或停用放置在彎曲部分中的PIN二極管來改變通過這部分的路徑長度。圖16展示了控制開關(guān)機構(gòu)的PIN二極管（MA4AGFCP910, MACOM, USA）的等效電路。圖14展示了輻射元件的尺寸。連續(xù)兩個槽之間的分離距離[圖14中的b ]為6 mm（接近半波長），而槽的長度和寬度[圖14中的c、e ]分別為2.88 mm和0.5 mm。槽的形狀不同于傳統(tǒng)的矩形或圓形，且在優(yōu)化后能夠在工作頻率范圍內(nèi)使反射系數(shù)（S₁₁）保持在-10 dB以下。 

圖14. 輻射元件的形狀。b = 6 mm；c = 2.88 mm；e = 0.5 mm。b：兩個連續(xù)槽之間的間隔距離；c：槽長度；e：槽寬度。

圖15. 本文提出的開槽SIW彎曲陣列。（a）一個移相器示例；（b）一個SIW彎曲部分，有色開關(guān)表示根據(jù)所需的相移“打開”或“關(guān)閉”。

圖16. 本文提出的開槽SIW彎曲陣列。（a）一個包含所有開關(guān)的SIW彎曲部分；（b）一個PIN二極管。R：電阻，L：電感；C：電容。

圖17展示了不同移相器配置下激勵輸入端口的反射系數(shù)，該設(shè)計是為了確保無論在何種相移水平下，陣列的S₁₁在期望的頻率范圍內(nèi)始終小于-10 dB。圖18展示了彎曲SIW（CSIW）移相器的掃描能力。從圖中可以看出，7種不同的移相器的仿真增益在9.5~11.1 dB之間變化，在縱向平面上可實現(xiàn)最高104°的波束掃描。

圖17. 所有移相器的反射系數(shù)。

圖18. 插入彎曲SIW中的移相器的掃描性能。

（二）使用金屬機翼增強增益

接下來將研究如何提高前一節(jié)中提出的CSIW掃描陣列的增益。如圖19所示，在上述陣列配置的兩側(cè)增加兩個金屬機翼。目標(biāo)是增加陣列在橫切平面上的有效口徑，從而縮小該平面上的波束，同時增加陣列的增益。圖20展示了陣列的幾何形狀，其中在陣列的兩端分別增加了兩個機翼，以進(jìn)一步提高性能。表2提供了帶翼陣列設(shè)計的相關(guān)尺寸，以及該陣列實現(xiàn)的增益增強的結(jié)果。

圖19. 帶有兩個金屬材質(zhì)機翼的CSIW。

圖20. 帶有4個金屬機翼的CSIW。（a）透視圖；（b）俯視圖。

表2　在26 GHz下增益的變化

（一）橫向平面上的波束掃描

在第2節(jié)中，介紹了一些基于SIW的陣列設(shè)計，其中采用可切換的移相器，可以控制陣列主波束在縱向平面上的傾斜角度。本節(jié)將研究在橫平面上掃描波束的方法。隨后提出一個新的方案來實現(xiàn)這一目標(biāo)。在圖21所示的方案中，可以通過改變面板的角度來掃描波束。此外，通過傾斜面板來改變主瓣的方向。圖22展示了該方案在26 GHz的工作頻率下的掃描性能。由此觀察到，在幾乎沒有方向圖劣變或掃描損失的情況下，可以實現(xiàn)超過120°的掃描范圍。作為所提方案的基礎(chǔ)，雖然波束掃描的原理相對簡單，但真正的挑戰(zhàn)在于要設(shè)計一個面板，使其傾斜角度可以通過電子方式而非機械方式改變，從而達(dá)到理想的波束掃描速度，并且這個速度應(yīng)該以毫秒甚至微秒計，而不是秒。目前，人們正在研究幾種不同的方案，包括可重構(gòu)的超表面和可重構(gòu)的反射陣列。對于可接受相對較慢切換速度的應(yīng)用，使用液態(tài)金屬是一個有吸引力的替代方案。

圖21. 使用一個傾斜面板進(jìn)行的2D波束掃描。

圖22. 使用面板傾斜度來掃描橫向平面上的性能。

（二）縱向平面上的波束掃描

對于縱向掃描，之前討論過帶移相器的彎曲SIW，其由電子開關(guān)通道組成。為了在橫向平面上進(jìn)行掃描，可以使用位于陣列上方的可重構(gòu)傾斜面板，如圖21所示。同樣也可以使用類似甚至是相同的面板在縱向平面上進(jìn)行掃描，如圖23所示；盡管靈活性不如插入在SIW導(dǎo)軌中的移相器所提供的靈活性。

圖23. 具有兩個金屬機翼和一個傾斜面板的彎曲SIW陣列天線的側(cè)視圖。

（一）帶凹槽金屬翼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的開槽波導(dǎo)天線陣列（SWAA）

本節(jié)提出了一種通過修改安裝陣列的平臺來提高SWAA增益的新技術(shù)。該技術(shù)基于一份最近發(fā)表的文獻(xiàn)，其中作者首先設(shè)計了一個傳統(tǒng)的開槽波導(dǎo)，然后在陣列的兩側(cè)添加凹槽結(jié)構(gòu)，以擴大陣列的有效輻射孔徑，從而提高增益。

接下來，探討了將增益進(jìn)一步提高到30 dB水平的可能性，這在這類天線陣列的某些應(yīng)用（如基站天線元件）中是可取的。將凹槽的數(shù)量從27個增加到41個，如圖24所示，并將陣列的長度延長124 mm，以適應(yīng)槽數(shù)的增加。雖然這種修改將增益提高到29 dB的水平（圖25），但并沒有完全達(dá)到30 dB的增益目標(biāo)。

圖24. 一個帶有金屬凹槽結(jié)構(gòu)的SWAA原型。

圖25. 帶有凹槽的擴展SWAA在26 GHz的方向圖。（a）H平面；（b）E平面。

為了進(jìn)一步提高增益，下一步通過折疊原始陣列兩側(cè)的擴展部分來修改圖24中陣列的幾何形狀，如圖26所示。這種修改不僅將天線的面積減少為原來的1/2，而且還將增益提高到30 dB的預(yù)期目標(biāo)，如圖27的方向圖所示。

圖26. 擁有金屬凹槽結(jié)構(gòu)和機翼的改進(jìn)SWAA。

圖27. 改進(jìn)的凹槽SWAA在26 GHz下的方向圖。（a）H平面；（b）E平面。這里E平面和H平面是線性極化天線的參考平面。

表3總結(jié)了原始SWAA和兩個修改版本的尺寸和性能特征，即增益和SLL。

表3　在26 GHz下增益的變化 

（二）使用傾斜的面板對帶凹槽的開槽波導(dǎo)天線陣列進(jìn)行波束掃描

最后，轉(zhuǎn)向前一節(jié)中描述的設(shè)計陣列的掃描問題。與第3節(jié)中描述的彎曲SIW陣列的情況相比，再次選擇傾斜面板的方法進(jìn)行掃描（如第4節(jié)所述），而不是使用復(fù)雜、有損耗且難以在輻射元件之間插入的移相器。如前所述，根據(jù)所期望的掃描速度，可以通過使用可重構(gòu)的超表面或液態(tài)金屬來制造這些面板。掃描陣列的幾何形狀如圖28所示，面板的傾斜角度的方向圖如圖29所示。方向圖表明，可以實現(xiàn)一個廣泛的掃描范圍，且?guī)缀鯖]有方向圖劣變或掃描損失。此外，面板角度的變化對阻抗匹配沒有顯著影響。傾斜角度可以機械地改變或通過使用包含加載變?nèi)荻O管的超表面的可重構(gòu)面板來改變。

圖28. 一個擁有機翼和一個用來掃描的傾斜面板的改進(jìn)凹槽SWAA。

 圖29. 具有傾斜面板的改進(jìn)凹槽SWAA在26 GHz下的方向圖。（a）H平面；（b）E平面。

本文綜述了用于固定波束和掃描應(yīng)用的幾種不同的陣列天線設(shè)計。簡要討論了一些傳統(tǒng)的陣列設(shè)計，與其他高增益天線（如反射面、反射陣列以及傳統(tǒng)或平面梯度折射率透鏡）相比，這些陣列可以實現(xiàn)的剖面相對較低。接下來，描述了一些新的設(shè)計概念，這些概念不使用既有損耗又昂貴的傳統(tǒng)移相器，也能提供波束掃描能力。本文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(tǒng)的鐵氧體型移相器，或者使用可重構(gòu)的超表面面板進(jìn)行掃描，并且這些方法幾乎沒有掃描損失。本文還提出了一種龍勃透鏡設(shè)計，其中包括用于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(yōu)于現(xiàn)有的相控陣設(shè)計，但該設(shè)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(yīng)用中高增益、低剖面、極化多樣、固定波束和掃描天線的設(shè)計是一個非常活躍的研發(fā)領(lǐng)域，希望本文能夠引起研究人員對這一領(lǐng)域產(chǎn)生更深的興趣，以應(yīng)對已經(jīng)確定的挑戰(zhàn)。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Raj Mittra, Abdelkhalek Nasri, Ravi Kumar Arya.Wide-Angle Scanning Antennas for Millimeter-Wave 5G Applications [J].Engineering,2022,11(4):60-73.