下一代无线系统中的毫米波天线技术

涵盖了非常多本领域新的技术发展

 

随着业务对带宽需求的不断增加，通信频谱不断向更高频谱延伸，5G 毫米波具有丰富的频率资源，是移动通信技术演进的必然方向。5G已经开始规模商用，在下一阶段部署的关键技术中，5G 毫米波由于具有高带宽、低时延以及其他突出优势，能够充分释放5G 的全部潜能，从而实现业务体验的革命性提升和千行百业的数字化转型，实现“4G改变生活、5G改变社会”的愿景，因此受到业界的广泛关注。与此同时，由于先天具有感知精度优势，因此，在诸如空天信息和低空经济等领域中，毫米波更是使能技术。

本书深入讨论毫米波天线的技术要求、基本类型以及各类高性能的毫米波天线阵列的设计、工艺、制造和性能评估方法，展现毫米波技术的新协议、新要求、新技术进展以及潜在应用。

本书深入浅出，不但关注本领域学术研究前沿，还关注前沿技术在实际场景中的落地和应用，适合通信行业的研发工程师和科研人员参考。本书可以作为相关院校高年级本科生和研究生的参考用书，还可以供从事通信行业咨询、投资和战略规划工作的专业人员参考。

赵鲁豫 博士，教授，博士生导师。2014年9月毕业于香港中文大学，获得博士学位。同年开始在香港中文大学进行博士后研究。并于2016年到西安电子科技大学任教。2023年加入安徽大学电子信息工程学院。共发表SCI检索文章40余篇，其中ESI高被引论文4篇，授权美国发明专利3项，我国发明专利10余项，集成电路布图6项。申请发明专利、集成电路布图、实用新型、外观及软件著 作权60余项，出版专著两部。现任天线产业联盟专 家委员会理事，中国通信学会高 级会员，通信学会天线与射频技术专委会委员，IEEE高 级会员，IEEE Access杂志副主编。 主持国家重点研发计划子课题一项，国家自然科学基金青年项目一项，重点实验室基金一项，装发预研共用技术项目两项，陕西省重点研发计划一项。同时积极参加产学研合作项目，与行业企业有着广泛的联系和合作。先后带队获得第五届物联网 创业大赛省银奖，陕西省科技工作者创新创业大赛银奖， 最 佳人气奖。2019年创立西安朗普达通信科技有限公司，专注于为用户提供高质量的智能无线通信设备和服务的公司。公司以无线通信技术为本，应对无线通信技术演进过程中的挑战，解决行业痛点及无线通信普及过程中的技术难点。依托西安电子科技大学、深圳大学等科研院所，主要实施5G，6G无线通信相关技术的产业化。主要业务范围包括超大规模天线阵列，新体制天线前端，多天线系统，天线去耦合技术，微波毫米波测量技术，卫星天线技术以及无线网络覆盖的规划和优化等。公司获得先后获得中国创新创业大赛陕西省初创组二等奖，国赛优 秀奖；目前是科技中小企业和高新技术企业，并与西安邮电大学联合获批陕西省四主体一联合毫米波通信及检测技术校企联合研究中心，赵鲁豫任中心主任，2022年获得陕西省创新创业人才称号。

第1章 绪论 1

1.1　毫米波天线的需求及挑战　1

1.1.1　5G毫米波通信频段的发展状况　2

1.1.2　毫米波的传输特性　9

1.1.3　毫米波的穿透特性　11

1.2　毫米波技术发展历程及展望　12

1.3　毫米波的馈电网络、常用的传输线结构及板材选取　13

1.4　毫米波的技术优势　18

1.5　本章小结　21

参考文献　22

第2章　毫米波天线的基本类型　23

2.1　偶极子及八木天线　23

2.1.1　印刷振子　23

2.1.2　双极化组合　25

2.2　缝隙天线　25

2.2.1　理想缝隙天线　26

2.2.2　矩形波导缝隙天线　28

2.2.3　背腔缝隙天线　32

2.2.4　基于波导结构的毫米波天线设计举例　35

2.3　微带天线　39

2.3.1　微带天线基本理论　39

2.3.2　双极化天线单元设计及损耗分析　41

2.3.3　双频双极化天线单元设计　45

2.4　磁电偶极子　50

2.4.1　概述　50

2.4.2　毫米波双极化磁电偶极子天线　53

2.4.3　基于差分馈电的毫米波双极化磁电偶极子天线　59

2.5　本章小结　69

参考文献　69

第3章　毫米波天线阵列基础　71

3.1　毫米波天线阵列需求分析　71

3.2　商用毫米波天线产品分析　73

3.2.1　高通（Qualcomm）　73

3.2.2　Kymeta与Alcan Systems　77

3.2.3　星链（Starlink）　78

3.3　一维线阵　82

3.3.1　双频双极化毫米波阵列设计　82

3.3.2　一种带有寄生贴片的双极化天线单元设计　92

3.4　二维相控阵　98

3.4.1　利用FADDM边界仿真毫米波相控阵　98

3.4.2　双极化磁电偶极子天线阵列设计　102

3.4.3　天线阵列的加工与测试　105

3.5　透射阵列　108

3.5.1　透射阵列单元的设计　108

3.5.2　透射天线阵列设计　115

3.6　缝隙阵列　136

3.6.1　波导缝隙天线阵列　136

3.6.2　毫米波波导缝隙天线阵列设计实例　140

3.7　本章小结　147

参考文献　148

第4章　毫米波天线阵列进阶　149

4.1　宽角扫描阵列天线影响因素分析　149

4.2　电磁带隙的分析与设计　151

4.2.1　AMC和EBG特性分析　151

4.2.2　AMC和EBG结构特性的应用　158

4.3　基于电磁带隙技术的5G毫米波的宽角扫描天线阵列　160

4.3.1　基于EBG地板的单极化毫米波宽角扫描阵列　160

4.3.2　基于UC-EBG结构的双极化毫米波宽角扫描阵列　175

4.4　超宽带紧耦合及宽角匹配层技术　184

4.4.1　天线阵列设计　185

4.4.2　天线的阻抗匹配　192

4.5　毫米波全双工技术　199

4.5.1　全双工技术概述　199

4.5.2　全双工技术在毫米波中继器上的应用　200

4.6　本章小结　202

参考文献　202

第5章　毫米波天线和器件的加工工艺及制造技术　206

5.1　机械加工及表面处理　206

5.2　3D打印-金属/介质打印　208

5.3　毫米波无源集成技术与工艺　218

5.3.1　LTCC技术简介　218

5.3.2　毫米波LTCC集成技术应用的现状　220

5.3.3　毫米波LTCC的材料　223

5.3.4　IPD工艺　223

5.4　毫米波常见的RFIC工艺　224

5.4.1　常见的毫米波有源前端基本架构　224

5.4.2　常用的毫米波RFIC工艺　227

5.5　本章小结　236

参考文献　236

第6章　毫米波天线及系统的性能评估　238

6.1　毫米波天线的测试系统概述　238

6.2　毫米波远场及紧缩场测试　244

6.2.1　紧缩场设计方案　244

6.2.2　紧缩场测试系统　256

6.3　毫米波近场测试系统　259

6.3.1　平面近场测量系统　259

6.3.2　球面近场测量系统　263

6.3.3　球面波展开　264

6.3.4　天线散射矩阵　267

6.3.5　球面波函数　268

6.3.6　球面波模展开系数　274

6.3.7　平面近远场变换仿真验证与分析　278

6.3.8　球面近远场变换仿真验证与分析　286

6.3.9　测试误差分析　290

6.4　毫米波阵列的波束扫描测试　297

6.4.1　概述　297

6.4.2　毫米波阵列波束覆盖能力的评估　300

6.5　本章小结　304

参考文献　304

第7章　毫米波的典型应用场景　310

7.1　概述　310

7.2　毫米波通信系统应用　310

7.3　毫米波短距离高速数据传输应用　313

7.4　毫米波感知应用　315

7.5　毫米波无线充电应用　317

7.6　展望　318

附录　典型低温共烧陶瓷技术设计准则　320