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在毫米波5G天线中使用超材料
Shiban K. Koul, Centre for Applied Research in Electronics, IIT Delhi；G. S. Karthikeya, Department of ECE, BMS College of
Engineering；Ajay K. Poddar, Synergy
Microwave Corporation；Ulrich L. Rohde, University der Bundeswehr, Department of Informatics,
Microwave Systems
要使未来基于毫米波的便携设备建立可行的蜂窝通信链路，高增益和面板安装天线是必不可少的。传统的天线设计技术可能无法满足这些要求。为了应对这些挑战，超材料(metamaterial，人工特异电磁材料)可能会提供一种有用的工具，用于提高专为毫米波5G便携设备设计的高增益天线的增益和其他性能指标。随着智能手机用户数据使用量的激增，全球各地的研究人员和专家学者一直在思考适应这种增长的可行解决方案。1随着用户数量的增长，所需的带宽也在增加。为了满足这些要求，需要提高当前通信信道的频谱效率。这种方法的关键问题在于，可实现的频谱效率是有极限的，而通信理论家们认为，现行协议已经接近这一理论极限。毫米波通信链路面临的主要挑战是，与微波相比，其自由空间路径损耗相对较高。克服这一问题的策略包括设计和部署大量低功率基站。即使在给定的地理半径内提高基站的辐射功率，移动设备的接收功率仍将远远低于接收器的灵敏度。因此，成功实施毫米波链路的唯一可行方案是在移动终端和基站内集成高增益天线。2这就影响了角度覆盖范围，因此需要探索其他优化覆盖范围的策略，以适应实际部署的需要。本文的主题是设计便携设备中的高增益紧凑型天线。还必须指出的是，用于制造6GHz以下天线的现有基础设施和工业流程可以进行调整，以制造在28GHz频段和附近工作的天线。图1显示了一个典型的智能手机外壳，其尺寸采用了一款成功、广泛使用的商用智能手机型号。集成高增益天线或天线系统的可用面积非常有限。典型的尺寸为7毫米（面板高度）×10毫米（暂定宽度）×3毫米（预计深度）。如果将这些尺寸用波长表示，则相当于0.65λ×0.93λ×0.28λ，其中λ对应28GHz。这些数值表明，天线集成所能占用的空间极小。因此，对于5G便携设备来说，在可用有效辐射孔径内具有最大增益的紧凑型天线是必要的。![]()
文献报道了许多提高平面天线增益的技术。例如，可以在辐射孔中加载金属带寄生，以提高增益；或者将介质透镜与宽边辐射器集成，以获得更窄的单向波束。这两种策略都会降低辐射体的增益。另一种流行的策略是尽量减少基板内的损耗，以提高前向增益，但增益增强的量级将在1dB左右。印刷脊隙（printed
ridge gap）波导法也可用于降低介质损耗。3另一种策略是在智能手机面板内安装相控阵。4这种策略增加了天线系统的复杂性。此外，发射器和接收器之间的波束锁定必须经过编程和动态更新。因此，要想以最小的电尺寸和物理占地面积实现高增益天线，超材料集成似乎是一个最佳解决方案。超材料是周期性亚波长几何结构。当它们与天线集成时，天线的性能指标将发生变化。5由于这些主要是亚波长几何结构，因此可利用适合5G便携设备的电介质的电小突起来提高增益。尽管超材料已在微波天线中微型化，6但在毫米波领域可能并不适用。本文的主要起因是毫米波天线的物理尺寸通常小于10毫米（或在28GHz频率下接近1λ），从而减轻了进一步微型化的要求，使天线与便携设备兼容。端发射天线在与天线方向相同的平面内辐射。端发射辐射器主要有两种类型：一种是共振型，如印刷偶极子和印刷八木天线；另一种是行波型，如印刷反转和维瓦尔第天线。端发射天线对于便携式5G设备非常重要。其主要原因是，与便携设备集成后，端发射天线的辐射会远离用户。超材料可装载到端发射天线上以增强增益，而不会显著改变天线的物理尺寸。在这些应用中，超材料单元可产生高增益，而且结构紧凑。图2显示了集成超材料的端发射天线的一般原理图。这种结构包含一个由微带线馈电的基于PCB的辐射器。天线印制在电薄基板上，以避免表面波模式。2辐射孔必须与馈电平面保持至少一个波长的距离，以避免连接器造成的方向图污染。4这一点在天线的商业部署中可以忽略。辐射器可以是谐振型，也可以是行波型。因此，预期的单向方向图将远离辐射器，穿过与亚波长单元集成在一起的电介质，如图所示。这些单元有助于对孔径发出的电场进行相位校正，从而提高天线增益。超材料传播的长度和宽度在电尺寸上很小，通常为0.5至1λ，从而节省了大量射频空间。文献中报道的大多数设计都基于图2所示的通用布局。![]()
图3a展示了一种集成了零指数超材料（ZIM）单元的锥形槽天线（TSA）。这些单元有助于对从微带线过渡到槽线的电场进行相位校正。
