基于5G移动通信的小规模高增益阵列天线介质加载关键技术研究

With the development of wireless communication, rich applications of wireless network have led to rapid growth of wireless data service, which puts forward higher requirement for network volume in future mobile communication system. The multi-beam control technology based on large dimensions millimeter wave array antenna theory is an effective means to improve the capacity of mobile communication system, and this technology is characterized by high gain, high efficiency, flexible beam control and so on, however, the system complexity and cost has become one of development bottleneck in the 5G mobile communication. Therefore, research on low complexity, low cost and high gain small-scale array antenna system is of great significance. The project presents high gain small dimensions millimeter array antenna based on dielectric loaded and baseband phase-shift architecture, and the research is aim to perform further study on theory of high gain dielectric loaded array antenna, transmission model of electromagnetic wave through dielectric lens, dielectric loaded array antenna beamforming technology, means of baseband phase-shift beam control, design of multi-channel high-performance integrated active array antenna and test technique of dielectric loaded array antenna. Dielectric lens loaded small dimensions array antenna performs high gain and high precision in beam control, which provides a new solution to implement large dimensions array antenna with low complexity and low cost.

随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长，对未来移动通信系统网络容量提出了更高要求。基于大规模毫米波阵列天线理论的多波束控制技术是提升移动通信系统容量的有效手段，具有增益高、效率高、波束控制灵活等特点，然而其系统复杂度和成本成了5G移动通信的发展瓶颈之一。因此，研究低复杂度、低成本、高增益小规模阵列天线系统具有重要意义。本项目提出基于介质加载和基带移相架构的高增益小规模毫米波阵列天线研究课题，拟对高增益介质加载阵列天线理论、电磁波经介质透镜的传播模型、介质加载阵列天线波束赋形技术、基带移相波束控制方法、多通道高性能集成有源一体化阵列天线设计、介质加载阵列天线测试技术开展深入研究。实现加载介质透镜的小规模阵列天线，达到大规模阵列天线的高增益、高精度波束控制能力，为大规模阵列天线低复杂度、低成本实现，提供新的解决方案。

本项目针对高频段、高速率以及高用户密度情形下，5G毫米波Massive MIMO系统射频前端复杂，建设与运营成本昂贵等问题，通过对超材料介质加载透镜机理和基带移相的好莫比射频通道研究，提出了一种小规模阵列天线设备，达到了大规模阵列天线增益水平及波束控制能力，大幅降低Massive MIMO系统射频前端数量。. 主要研究成果和创新点包括：提出了一种电磁波在不同电介质下色散效应的量化仿真方法，并将其应用至双频宽带基站天线用以提升其半功率波束宽度收敛性；设计了一款层叠结构的缝隙耦合馈电4×4毫米波天线阵，其工作频段为24.5-28GHz，相对带宽约为13.3%，并基于慢波加载结构设计了可实现不同指向的一分四馈电网络；设计了一款缝隙耦合馈电的双极化4×4毫米波天线阵，工作频段为24.25-27.5GHz，相对带宽约为12.5%；提出了一种一维超材料平面透镜，透镜在一个维度上相移单元呈梯度分布，另一个维度相移单元保持一致，以层叠结构4×4毫米波天线阵作为馈源天线，在焦距为44mm，尺寸为105.8mm×105.8mm的一维超材料平面透镜加载下，天线增益提高了7.7dB，水平方向实现±30°波束扫描，垂直方向实现四组不同指向波束；提出了一种超材料单元以抛物线形式排布的超材料平面透镜，以双极化4×7毫米波天线阵作为馈源天线，在焦距为65mm，尺寸为364.5mm×229.5mm的超材料平面透镜加载下，天线增益提高了11dB，水平方向实现±60°波束扫描，垂直方向实现±25°波束覆盖；基于FPGA与DAC进行中频信号输出并实现中频信号频率及相位控制；基于I/Q混频结构设计了四通道毫米波混频模块的PCB射频板，采用I/Q混频原理，可以抑制镜像信号，直接输出相移精度1.4°、调幅范围0-4dB、调幅精度0.5dB的毫米波单边带信号。