- 详解5G新体制天线技术

在终端天线的耦合减小技术方面，本人于2012年在香港中文大学，提出了一种全新的适用于终端天线的耦合减小技术。利用两个或多个耦合的谐振器网络，并联或级联在两天线或多天线上，通过合理的综合设计网络参数，达到紧耦合的天线的耦合减小和天线匹配保持的效果[12]~[14]，这种解耦网络，被称为“耦合谐振器去耦网络”，其基本的原理图见图2。该网络的主要特点有：

图2、耦合谐振器解耦网络电路原理图

1)   体积小，易于集成。最新的基于低温共烧陶瓷技术的该类去耦网络可以采用1608封装，非常适合移动终端使用。
2)   此网络有一套可以根据天线参数进行综合设计的理论。由于网络参数可控，该去耦网络往往能实现相对较宽的解耦带宽。
3)   该去耦网络不依赖天线形式和参数，只要确定了谐振频率，有一套机理可以调节以适应各种天线。
4)   该去耦网络本身的参数特性，保证了在解耦的时候，不破坏天线本身的匹配。

为了5G满足移动终端器件小型化的需求，我们采用了基于1608封装的低温共烧陶瓷(LTCC)技术来实现该去耦网络。采用的材料介电常数为9.8，总共有19层叠层而成。其示意图请见图3。

图3、LTCC实现的两阶耦合谐振器去耦网络模型图

3耦合谐振器去耦网络应用实例我们选取Wi-Fi 2.4GHz频段作为实例，展示耦合谐振器去耦网络在实际天线解耦中的作用。图4的(a)和(b)分别为原始耦合较强的天线以及加入耦合谐振器去耦网络之后的天线。天线均采用柔性印制电路板(FPC)形式制成，天线支架采用了3D打印机设计加工。

去耦前后，图4中两组天线S参数的比较请参见图5。由图5可以看出，原来耦合天线虽然匹配满足要求，但是隔离度只有5至6dB，这说明有25%以上的能量没有有效辐射，而是被另一天线负载吸收。在合理优化设计耦合谐振器去耦网络之后，匹配状态没有明显恶化的情况下，隔离度提高到10至15dB，此时耦合的能量已经小于10%。可以看到耦合谐振器去耦网络对提高天线隔离度的明显作用。

(a)                                       (b)

图 4 (a)耦合双天线 (b) 去耦双天线

(a)                                                (b)

(c)

图5、解耦前后两天线的(a)S11,(b)S22和(c)S21的幅度响应

4基于超材料的MIMO天线阵改造技术作为一种崭新的概念，超材料这类人造的、具有优良电磁特性和电磁调控能力的材料与结构，能够明显提升天线的性能及扩展其功能。因此，得到了业内外、国内外的广泛关注。

本课题组一直非常关注超材料技术及其在MIMO天线阵上的应用，并不断进行了相关的前沿研究于技术积累。截止目前为止，我们开拓了三种超材料技术与MIMO天线、天线阵及相控阵相结合的天线技术，分别是：

图6

图7

图8

a.  超表面覆盖于天线阵列之上（图6）
b.  天线单元镶嵌于超表面同层（图7）
c.  超表面替代天线阵列的地板（图8）
d.  这三类技术，各有适用。可以根据不同的天线阵形式和应用场景（如基站、终端、CPE设备等）灵活选用。需要说明的是，图6~8中的天线、超材料结构都是示意。实际中，可以采用其他的天线和谐振结构代替。

5覆盖超表面的MIMO天线阵如图9所示，以微带天线线阵为例，在紧耦合的多单元MIMO天线阵的上方合适的距离覆盖一层超材料表面之后，微带天线单元1到微带天线2的电磁波有三条耦合路径：

①：表面波耦合
②：空间波耦合
③：人为制造的反射波耦合

合理的调控三条路径上耦合的幅度和相位，可以使得耦合的总效应互相抵消，这样就有效消除了单元之间的互耦。

图9、覆盖超材料表面的微带天线阵列耦合机理分析

本课题组在工作在5GHz频段的两个微带天线单元进行了实物验证。如图10与图11所示，图10是两个互相耦合很强的微带天线，两者之间边到边的物理距离只有约1mm，即不到0.02倍的自由空间工作波长。

图10、两个紧耦合的微带天线

图11、含有超表面的两个微带天线

图12、不含有超表面的和含有超表面的两微带天线单元的测试S参数曲线

从图12可以看到，这个时候，天线1/2虽然有非常好的匹配状态，但是，两个天线之间的隔离度（S21）只有不到8dB。

覆盖一层采用开口谐振环组成的超表面之后，如图11，两个天线之间的匹配和隔离度如图12所示，可以看到，合理设计了超表面的物理参数之后，两个天线的匹配状态没有任何恶化的基础上，两个天线之间的隔离度提升到了接近28dB，总共有20dB的提升。

图13、含有超表面的微带天线测试设置

除了在无源S参数上可以看到超表面对性能的明显提升。我们还研究了超表面对整个微带MIMO天线辐射特性的改善。具体的测试状态如图13所示。我们在实验室自有的SATIMO SG-24系统里测试了两个天线各自激励时候的矢量方向图，并看到了天线效率的提升（图14）和两个天线之间包络相关系数（ECC）的明显降低（图15）。

图14、不含有超表面的和含有超表面的两微带天线

图15、不含有超表面的和含有超表面的两微带天线单元之间的包络相关系数

6采用超材料替代天线地板的MIMO天线技术在天线阵表面覆盖超表面虽然可以明显的减小天线单元之间的耦合和改进天线的其他性能，但是会提高天线的剖面，这在很多应用中是我们不希望看到的。因此，我们又探索了将这一层超材料嵌入传统天线地板的可能性，并得到了一些令人振奋的初步结果。

如图16所示，我们将一层蘑菇型（接地）的电子带隙谐振结构（EBG）结构组成的地板替代了原来微带天线的金属导体地板，并研究了替代之后的天线特性。研究发现，这类天线阵同样有着非常低的单元间互耦（工作在28GHz毫米波频段），如图17。同时，在单元非常紧凑的同时，有着非常好的相扫能力，如图18、19。非常适合5G毫米波频段的带有相扫能力的终端使用。图19表面该线阵相扫角度范围可以达到正负70°。

图16、采用超材料地板的八单元微带天线线阵

图17、采用金属地板和采用EBG地板的天线阵中两单元之间的隔离度

图18、EBG地板八单元线阵相扫示意

图19、EBG地板八单元线阵二维相扫方向图

7总结与展望除了上述展示的技术，我们已经成功的证明，超材料覆盖的技术可以适用于更多的单元数，方阵以及双极化天线阵的耦合减小和性能提升。我们还验证了采用超材料包围的两单元微带天线阵，同样可以达到耦合减小的目的。后续本课题组将针对更为实际的应用场景，将上述提到的技术产品化。为5G技术的进一步普及和提升，尽一份努力。