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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。

图1：5G便携设备的典型布局。

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。

端发射增益增强

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2：典型的集成超材料的端发射天线的通用布局。

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。拟议的天线是在厚度为0.5毫米的低成本FR4基板上设计的。由于基板是电薄的，即使在Ka波段，基板内的介质损耗也可以忽略不计。由于光刻技术的限制，ZIM内的间隙保持在100微米。图3b显示了制作好的天线。

图3：(a)与ZIM集成的拟议TSA示意图。(b)与ZIM集成的TSA原型。

仿真和测量的输入反射系数如图4所示。-10dB带宽为26.45至28.94GHz，相当于9%。带宽较窄的原因是基板的电厚度以及从标准50Ω馈线到槽线的过渡设计。

图4：与ZIM集成的拟议TSA的|S₁₁|。

E平面辐射方向图如图5所示。在整个工作带宽内，前后比大于10dB。还必须指出的是，辐射方向图在整个带宽内的变化极小。由于ZIM单元在拟议天线辐射孔中的布局，方向图的完整性很高。

图5：与ZIM集成的拟议TSA的E平面方向图。

如图6所示，天线在整个频谱范围内的增益增强接近1dB。由于拟议天线物理孔径中的单元数量有限，增益增强的量级并不高。通过在H平面上集成单元，该技术可实现高达3dB的增益增强。

图6：与ZIM集成的拟议TSA的前向轴上增益。

另一种策略是将ZIM单元与印刷偶极子等谐振结构集成在一起，如图7a的电路布局所示。拟议的天线是在厚度为0.5毫米的低成本FR4基板上设计的。集成在印刷偶极子扩展介质中的ZIM单元有助于提高天线增益。传统的半波长寄生元件也能产生类似的增益，但在实际尺寸和工作带宽方面却有所折衷。拟议的天线宽度仅为4.9毫米，可以轻松集成到面板高度通常为8毫米的5G智能手机中。制造的原型如图7b所示。单元尺寸保持在制造限制范围内。

图7：(a)与ZIM集成的拟议印刷偶极子示意图。(b)与ZIM集成的TSA原型。

仿真和测量的输入反射系数如图8所示。拟议天线的阻抗带宽为5.3GHz，相当于23.7%。宽带宽可归功于阻抗匹配馈电结构和ZIM单元的宽带特性。即使使用了电薄基板，带宽也相对较高。通过改变偶极子臂的尺寸和ZIM单元槽的大小，该设计可扩展到任何频带。

图8：与ZIM集成的拟议印刷偶极子的|S₁₁|。

图9显示了归一化H平面辐射方向图。在整个工作带宽内，前后比都很高，大于10dB。波束宽度和增益足以满足商用设备的规格要求。拟议的天线将垂直集成到商用5G设备中。

图9：与ZIM集成的拟议印刷偶极子的H平面方向图。

有无超材料单元的前向增益如图10所示。整个工作频带的增益增强了近2dB。就天线的可用孔径而言，获得的增益相对较高。还必须指出的是，低成本基板的高介质损耗正切不会影响轴上增益。

图10：拟议印刷偶极子的前向增益。

宽边天线增益增强

对于5G便携设备来说，具有单向方向图的宽边天线同样重要。这些宽边天线结构紧凑，可安装在智能手机的面板上。增强宽边天线增益的技术包括增加相控阵中的阵元数量、集成寄生叠层以及将介质透镜与天线集成在一起。这些技术中的大多数都能成功提高宽边辐射器的增益，但它们都以牺牲面积和阻抗带宽为代价。本节探讨使用超材料单元作为部分反射面(PRS)。

图11展示了超材料加载于宽边天线的一般布局。与前面的情况一样，只考虑平面天线。天线是一个微带馈电元件，位于电薄基板上。在宽边辐射情况下，馈电机制并不十分重要。但是，天线必须有一个电大的接地，这意味着在没有超材料的情况下，独立天线将具有低增益的单向方向图。PRS对双向或全向天线阵元不起作用。宽边辐射器必然是一个谐振结构，这是因为行波辐射器需要沿传播方向有一个电大的辐射孔径。

图11：带有超材料单元的宽边天线的通用布局。

图12a所示为在28GHz频段工作的准PRS集成宽边天线。它是一个联合馈电阵列，由四个具有半波长间距的嵌入式馈电微带贴片天线阵元组成。天线阵列是在罗杰斯5880基板上实现的，其介质损耗极小。馈电网络经过优化，具有以28GHz为中心的宽带宽。如图12b所示，辐射孔被弯曲，使辐射器与目标设备的面板对齐。这种弯角方法可防止向用户辐射。为了提高该天线阵列的孔径增益，该阵列集成了一个准PRS结构。

图12：(a) 28GHz宽边天线。(b)准PRS集成宽边天线的实现。

图13显示了该天线在25至31GHz范围内，有无集成PRS的孔径增益特性。由于可用孔径的原因，增益增强的量很低。通过在横向维度上扩展PRS单元，可以实现更高的增益增强。然而，这种方法会使设计不适合商用设备。

图13：准PRS集成宽边天线的孔径增益。

拟议天线的单向窄波束方向图如图14所示。尽管这种拓扑结构能与后端电子设备自然隔离，但与传统的端发射天线相比，有效辐射体积较大。因此，这种方法可能不适合商业应用。

图14：带有超材料单元的宽边天线的归一化辐射方向图。

减少相互耦合

在为5G便携设备设计的多辐射天线系统中，相互耦合是一个重要现象。如前所述，毫米波领域增益增强的常用技术之一是使用相控阵。通常情况下，相控阵内的辐射阵元会被放置在电尺寸距离较近的位置上运行。例如，为了实现最大增益增强，可将天线放置在谐振频率的半波长处。理想情况下，天线应能单独实现波束赋形，但由于阵元之间的电距离很近，部分输入功率会在与其他端口的相互耦合中浪费掉。这种拓扑结构会导致两个主要后果：由于端口内的部分能量损失，天线系统的整体前向增益会降低。单个端口的输入阻抗特性可能会失谐和恶化，从而可能导致与后端电子设备的阻抗失配。

相互耦合效应的另一个后果对多输入多输出（MIMO）天线系统的影响最大。相互耦合越多，意味着分集增益越小，从而影响天线系统的整体吞吐量。即使将端口间的相互耦合降低5dB，也可能将前向增益提高1dB。图15展示了双端口天线系统与超材料集成以减少相互耦合的通用布局。

图15：基于超材料的天线布局，以减少相互耦合。

在图15中，两根天线完全相同，与大多数商用天线类似。辐射器可以是宽边的，也可以是端发射的。两个阵元的间距通常为一个波长的几分之一，以中心工作频率计算。亚波长超材料单元不能是反射型的，因为这会使两个天线严重失谐。单元的性能或特性不能用来预测集成后的相互耦合减弱现象。

有一些简单有效的方法可以减少相互耦合。这些方法包括在电尺寸上将天线相互远离，或将辐射器置于正交方向。遗憾的是，这两种技术都无法实现毫米波5G天线通信，因为远距离放置天线会阻碍波束赋形，而正交放置天线会严重降低波束完整性。

结论

本文讨论了超材料在毫米波5G设备高增益紧凑型天线设计中的可行性。文章通过案例研究解释了使用超材料单元增强端发射和宽边辐射器增益的方法。最后，还说明了在毫米波频段使用超材料降低相互耦合的概念。

参考资料

1.    T. S. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y.  Azar, K. Wang and F. Gutierrez,  “Millimeter wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work,” IEEE Access, 1, 2013, pp. 335–349.

2.    S.K. Koul and G. S. Karthikeya, “Antenna Architectures for Future Wireless Devices,” Springer Nature, 2022.

3.    Y. Liu, Z. Yue, Y. Jia, Y. Xu and Q. Xue, “Dual-Band Dual-Circularly Polarized Antenna Array With Printed Ridge Gap Waveguide,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 69, No. 8, Aug. 2021, pp. 5118–5123.

4.    S. X. Ta, H. Choo and I. Park, “Broadband Printed-Dipole Antenna and Its Arrays for 5G Applications,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 16, pp. 2183–2186, 2017

5.    P. Kumar, T. Ali and M. M. M. Pai, “Electromagnetic Metamaterials: A New Paradigm of Antenna Design,” IEEE Access, Vol. 9, 2021, pp. 18722–18751.

6.    P. B. Saha, D. Ghoshal and R. K. Dash, “A Miniaturized Frequency Reconfigurable Antenna with Half-mode CRLH-embedded Metamaterial Arm,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 35(3), 2021, pp. 277–290.