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5G蜂窝设备的实际大型毫米波天线系统的原型和研究

Wonbin Hong, Kwang-Hyun Baek, Youngju Lee, Yoongeon Kim, and Seung-Tae Ko

摘要 本文讨论了未来5G蜂窝设备在毫米波频带实现大型天线阵列的相关挑战，优点和方法。 研究了关键设计考虑用以推导出在28GHz下工作的具有接近球面覆盖的新颖且实用的相控阵天线解决方案。该方案进一步发展成第一个一流的蜂窝电话原型，配备有由总共32个低轮廓天线元件组成的毫米波5G天线阵列。使用所提出的原型进行室内测量，以表征使用具有27.925GHz载波频率的16-QAM调制信号的所提出的毫米波天线系统的特点。 当使用毫米波蜂窝设备时，基于吸收的电磁波生物学影响被研究并且与3 / 4G蜂窝设备的细节进行了详细比较。

1绪论

在20世纪，蜂窝可用性的公共概念正以与电，水和广播的历史上类似的发展方式迅速发展。它正变得越来越不是一种特权，更多的是其他传统公用事业边界的必要商品。 基于显着的技术进步，蜂窝市场部门继续保持健康的增长率; 根据国际电信联盟（ITU）在2013年移动世界大会（MWC）期间，全球移动电话订阅将在2014年超过世界人口。世界各地正在讨论和研究许多方法，用以创建将来成为现有第四代/长期演进（4G / LTE）网络的未来蜂窝网络。 虽然4G / LTE服务的数据容量持续显着改善，但Claude Shannon和Ralph Hartley建立的经典信息理论指出，实现所需的蜂窝千兆位每秒数据速率的瓶颈仍主要在于当前的压缩频谱带宽^[1]。回想起来，通过采用包含大得多的分配信号带宽的较高频率频谱，可以引入全新的蜂窝技术。由蜂窝载波执行的小型基站（即，微小区和微微小区）的持续增长在减轻由大气条件和在极高频率下的穿透引起的相对高的自由空间损失方面变得极其有用。近年来，通常被称为波束成形，由包括具有优化的间隔的多个天线元件的阵列产生的尖锐的辐射束已经广泛用于越过室外毫米波（mmWave）回程和室内多媒体流例如IEEE的障碍物和信号盲点 802.11.ad。^[2-4]中的广泛的毫米波传播测量证明其对于也称为非视线（NLOS）条件的阻塞传播条件的有效性。最近，一个5G原型在毫米波操作的理论研究和测量结果被提出和详细讨论^[5]。在上述研究中，28 GHz原型显示了由多个天线阵列组成的尖锐辐射束，其连续扫描大气以识别最强的连接。在[5]中报道的模拟和测量结果共同支持考虑毫米波的蜂窝接入链路的价值。

这将是一个合理的评估，预测当前技术挑战与毫米波射频集成电路（RFIC）和基带架构相关的许多最终将会基于硅和IIIV半导体的持续进步最终被巧妙地减轻，证明毫米波的出现 IEEE 802.11.ad和IEEE 801.15.3c ^[6-8]。 另一方面，在蜂窝电话中实现毫米波收发器引入了前所未有的挑战，这远不是微不足道的。 这种任务的巨大性由于与蜂窝电话相关联的用户场景的独特性质而特别恶化。 与便携式计算机和无线坞站相比，蜂窝电话的尺寸更加紧凑，并且由于智能电话的激增，其用户场景高度多样化。蜂窝电话中的5G收发器必须保证在任何地点，任何时间，千兆比特每秒速度的安全和可靠的链路可用性。在构成毫米波5G无线电的关键元件中，天线设计需要最根本的改变之一。这是由于相对简单的事实，即迄今为止的每个蜂窝标准在3GHz频谱以下操作。在蜂窝电话中使用的谐振型电介质天线的物理尺寸倾向于小于导波长（）的一半。具体由以下关系确定

(1)

其中c表示为光速（以米每秒为单位），f为工作频率（以赫兹为单位），为介电基板的有效介电常数。 显然，蜂窝天线的物理尺寸保持为导引波长的一部分，导致在平面二维几何平面中的所有水平方向上同样好地发射和接收射频信号。这种天线在技术上被称为全向天线，并且它们是迄今为止用于当今消费电子产品中的谐振型天线的主要选择。 由能量守恒定律描述，并且由于介电损耗和设计限制而进一步恶化，蜂窝设备内的全向天线的增益通常落在-8至0dBi的范围内。在毫米波频率处补偿较高信号衰减所需的高得多的增益在无线通信的历史中首次引入用于蜂窝电话的天线阵列的概念。在本文中，我们展示了在未来的5G蜂窝原型中设计和选择性地利用多达32个在28GHz下工作的天线元件的务实方法。我们首先讨论几个关键的天线设计考虑，源于毫米波带的独特性质。基于这些考虑，使用各种形式的模拟和测量详细地呈现了新颖但实用的28GHz相控阵列。配备有设计的毫米波天线阵列系统的三星蜂窝设备原型与毫米波基站原型一起测试，使用16-正交幅度调制（QAM）信号的发送和接收。最后，基于所获取的辐射图，对所呈现的毫米波天线解决方案对用户的生物学意义进行研究并与当前蜂窝电话进行比较。

2 5G毫米波天线的关键因素

在无线工业中，许多天线和射频工程师描述了将蜂窝设备的天线设计为工程的艺术的过程。这可以归因于在理想的自由空间条件下天线的行为的显着缺陷，以及集成到蜂窝电话中的天线。天线不能在自由空间中进行设计，验证，并且在实施后期望以相同的方式表现，而无需额外的工程设计。天线表面上的电流以电耦合和磁耦合的形式引起各种场相互作用，这又影响原始天线的特性阻抗和孔径效率。这可能对附近存在高导电材料（例如金属部件）的天线的辐射性质特别有害。大屏幕液晶显示（LCD）面板和电池控制绝大多数手机产商。位于LCD面板后面的金属支架有效地限制了当今蜂窝电话天线到设备边缘的放置。通过增加数量的传感器以及相机模块，扬声器和麦克风单元（其通常包括一定量的金属框架），可用的天线面积进一步减小。

移动性要求蜂窝电话几乎在任何地方运行。 静态地和经验地预测不可能预测最强信号路径的到达角（AoA）。 如今，3 / 4G蜂窝电话天线的全向模式在这方面是有利的。 同样，在毫米波频率处，入射到天线上的入射波被预测为分布在整个球体上。 这为天线工程师引入了矛盾的情况：给定有限量的能量，天线需要在球周围以非常高的强度辐射。 由于在所有角度的同时辐射违反了物理学的经典定律，我们转向设计天线波束控制方法，其中波束扫描时间在几十微秒的量级。

一般来说，存在两种方法来在半球上对高强度窄波束进行波束控制。第一种方法包括围绕方位角和仰角轴线机械地旋转固定笔形射束。这种方法在军用雷达系统和长距离室内和室外回程设备中很流行。诸如喇叭或物理大反射器的孔径天线通常与精确的步进电机拓扑结合使用。虽然这种方法受益于最大天线孔径效率，但是反射器倾向于体积庞大并且易于受到外部物理冲击。第二种方法称为电子束转向，其中多个天线元件以预定阵列布置。每个天线元件的辐射电磁场由射频和数字集成电路控制，以在期望的方向上形成称为主瓣的相长辐射峰。在无线通信领域中，波束控制通过切换天线元件或修改驱动每个天线元件的RF信号的相对相位来广泛地实现，称为相控阵列的方法。最近使用在60 GHz操作的大规模相控阵天线的研究已经证明其对室内毫米波通信的有效性^[9-11]。此外，由于封装和集成技术的进步，相对紧凑的毫米波相控阵方法更适合于5G蜂窝系统。

在本文中，笛卡尔坐标（）和球面坐标（范围从0到并定义为仰角）和（范围从0到，定义为方位角）用于描述相控阵天线的主瓣的最大可允许轨迹，其通常被理解为扫描角度范围。基于前面部分所述的蜂窝电话中的天线放置选项的现实物理限制，我们将我们的潜在选择范围缩小到2D（平面）相控阵列。通过选择的可接受的例外，天线阵列内的天线元件被放置至少半个相隔，以避免空间混叠，也称为栅瓣。扫描角度范围高度依赖于任意大规模相控阵列天线的物理几何形状。对于1times;N天线阵列几何形状，扫描角度是或的函数。扫描角是Ntimes;M天线几何形状的和的函数。此外，主瓣的扫描角度范围与天线元件的数量（即，天线阵列增益）成反比关系。由于在28 GHz的高信号衰减，天线必须放置在非常接近28 GHz RFIC和前端模块。在5G蜂窝设备的印刷电路板（PCB）上直接实现天线阵列将因此将天线和RFIC之间的插入损耗保持为最小。这意味着在中频（IF）级之前在5G架构内的射频块的放置将取决于28GHz天线阵列在蜂窝电话内的放置。考虑到这些，提出了用于毫米波5G蜂窝应用的最小组的两个28GHz天线阵列。如图1所示。如图1所示，两个天线阵列实现在蜂窝设备的顶部和底部。这是一种直观的方法，因为与3 / 4G天线类似，大型LCD显示面板和电池禁止天线阵列被放置在蜂窝电话的中心区域中。虽然我们的研究包括基于空间多路复用的多输入多输出（MIMO）系统，但是在单输入单输出（SISO）系统中，在毫米波处采用多个天线阵列有很多重要的原因。首先，平面矩形天线阵列的最大允许扫描角度范围可以表示为反正弦函数。 这从根本上限制了半球内主瓣的可能轨迹。 实际上，天线阵列的扫描角度范围由于移相器中的可用位的限制以及由底架和其它部件（例如LCD显示面板）引起的衍射和折射而被进一步严格限制。位于蜂窝电话的顶部和底部的每个5G天线阵列被设计为以空间分集的形式覆盖对应的半球。作者的基于射线跟踪算法的仿真证实，当与在[5]中讨论的波束形成算法一起使用时，与单个天线阵列相比，多天线阵列方法在改进接收信号强度指示（RSSI）方面是有效的情况。采用多个毫米波天线阵列的第二个重要原因是基于毫米波蜂窝电话的独特特性。以前的研究表明，近似95％的毫米波的入射能量可能被人体吸收^[12-13]。同样，使用SEMCAD-X，作者使用有限差分时域（FDTD）模拟器来研究用户的手对许多不同的基本28GHz平面天线的影响。检索到的结果表明，当用户的手完全包围特定天线阵列区域时，所述天线阵列的增益减小大于9.5dB的平均值。通过沿与用户的手相反的方向操纵主瓣，可以减轻天线阵列增益的减小和辐射图的破坏。然而，蜂窝电话用户优选的几乎无限数量的手握姿势仍然是不可预测的变量。对于SISO，当使用主天线不能建立安全链路时，辅助天线阵列变得有用。

图1 5G蜂窝移动终端的28 GHz天线阵列配置及其与4G标准的比较

对于蜂窝电话PCB的厚度超过1mm，是罕见的。 在激烈竞争的消费电子领域，增加PCB厚度直接与生产成本上升和设计庞大相关。 在28GHz下，自由空间半波长略大于5mm。 这种差异禁止在仰角平面（平面）中的相控阵波束控制，并且使得我们使用1times;N天线阵列拓扑来推导1D波束导向方法。 此外，在仰角平面中需要非常宽的波束宽度以补偿波束导向不能。 这种波束特性通常被称为扇形波束，并且主要用于具有孔径天线的国防和卫星通信扇区。 在下一节中，我们详细描述了一种新颖的28 GHz天线阵列解决方案，尽管具有极小的天线占地面积，但具有扇形波束状辐射行为。

图2 a）常规蜂窝天线和所提出的毫米波5G天线拓扑之间的简化比较; b）网格贴片天线的详细视图

3毫米波5G天线的设计

为了合成高度指向的扇形波束，我们需要最大化蜂窝设备内的天线元件的可允许数量。 避免不必要的天线辐射损耗在毫米波级别是至关重要的，因为这与无线链路预算和最终功耗相关。 因此，每个天线元件被设计为至少的四分之一大，这是在由于天线的近场区域中存储的能量的上升而辐射效率开始急剧恶化之前的最小阈值。 除了诸如喇叭和反射器的3D孔径天线之外，半大平面偶极天线是迄今为止在微波工程社区中最流行的扇形波束天线。然而，如果在构成平面偶极子拓扑的金属图案下面移除所有金属图案，则只能保持平面偶极子的扇形波束辐射特性。 这是由于从平面偶极发出的电磁场与从平面偶极下面的金属图案反射的电磁场之间的解构相加。 金属图案的消除变得有问题，特别是随着智能手机的出现，由于PCB的集成度的增加。 小于1mm厚的蜂窝电话PCB通常由厚度为几十毫米的6至12层组成。 在该空间内运行各种信号线，范围从低速到高速接口和功率分布式网络。具有数十毫米直径的称为通孔的金属垂直互连用于连接位于不同层中的信号线。去除用于实现半导波长平面偶极结构的信号线迹线对PCB布局施加了严重的应力。作为替代，作者提出使用新颖的低轮廓天线设计方法，其可以与信号线迹线共存，但是还表现出扇形波束辐射特性。如图2所示，与跨越平面的平面偶极天线相反，新设计的结构沿着平面定位，这可以将平面天线足迹从前一半减小到百分之几。平面中的实际面积仅由双天线信号馈线的长度来表示，表示为。天线结构的整个辐射体由紧密间隔的通孔形成，从而产生网格型网格，如可以从平面观察到的。因此，作者将这种天线拓扑命名为网格贴片天线。网格贴片天线的物理尺寸从沿着x轴的的四分之一到一半。高度（表示为h）确定特定网格贴片天线设计所需的PCB层的数量，并影响角中的仰角波束宽度。网格天线被设计成支持基于由垂直，水平和圆形极化组成的任何组合的多极化MIMO。在位于韩国水原的三星电子总部的消声天线辐射室中进行的测量证实在仰角平面中超过130°的3 dB波束宽度，这与之前报道的平面偶极天线元件相当^[14-15]。表示天线带宽的测量的-10dB反射系数约为1GHz，中心频率为27.9GHz。这足以支持以三星毫米波5G系统原型定义的27.925 GHz载波频率为中心的520 MHz信号带宽。

4毫米波5G天线原型和集成

本节介绍第一个同类毫米波天线阵列解决方案，集成在三星手机原型内，如图3所示。网格天线元件被扩展并布置在蜂窝电话PCB的顶部和底部中的两组1times;16相控阵中。由16个天线元件组成的可重构和可扩展阵列实现的高天线增益减轻了5G放大器的线性和功耗要求。位于PCB的每个角的网格天线元件以大约50°的倾斜角布置。共形拓扑进一步最大化了方位平面中的波束控制扫描角的范围。此外，倾斜拓扑符合蜂窝设备并且使得所设计的毫米波天线阵列看起来是包围PCB的边缘的极低轮廓的金属迹线。迹线的宽度小于0.2 mm，甚至小于传统表面贴装技术（SMT）的PCB边缘所需的1 mm间距。从硬件布局的优势来看，包括总共32毫米波天线元件需要可忽略的天线足迹。基于这种天线解决方案，真正大规模的MIMO天线系统实际上可以长期实现为毫米波5G。

每组相控阵天线的波束图案由28GHz射频

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