面向6G通信的高频段毫米波宽带超表面天线技术

摘要：天线技术的发展一直局限于其基本的物理特性。人造结构（即超构材料）的发展具备了独特的电特性，对现有天线设计的性能改善和引入新的功能带来了机会。首先简要介绍超构材料和超构表面的概念。以微波超透镜为例，详细介绍超构表面以及超构表面天线的设计。接着，简要概述微波超天线技术（即基于超构材料和超构表面的天线）的最新研究进展。最后，对微波超天线研究与开发的前景和重点课题进行展望。

关键词：微波;超天线;超构表面;超构材料

6G通信系统预计将于2027—2030年之间实施，其需要极大的带宽来满足未来高速大容量的通信场景。目前广泛使用的微波和射频频段不足以满足高速通信的带宽需求，因此，W频段（75～110 GHz）将在即将到来的6G通信中发挥重要的作用。然而高频段毫米波传输损耗大，需要天线提供足够的增益来满足信息传输速率和系统作用距离的需求。超表面天线由二维周期排布的电磁微单元组成，通过控制各微单元的幅度或相位响应，可以实现高增益、多极化的笔形波束调控。由于固有的物理局限性，天线技术作为无线系统的关键技术之一，其创新正面临着严峻的挑战。同时，系统急需性能更强、功能更全面的新一代天线作为新时代的技术支撑。

1 毫米波的频率特性和技术特点

严格来说，毫米波只能指EHF频段，即波长在1毫米～10毫米，对应频率为30GHz～300GHz的电磁波。但实际上，毫米波只是个约定俗成的名称，而3GPP协议的FR2频段的频率范围是24.25GHz～52.6GHz，人们通常也叫它毫米波。

1.1 大带宽和高速率

毫米波频段内频谱资源丰富，是解决当前频谱资源瓶颈的最优选项。以60 GHz毫米波频段为例，上下可分配带宽可达7～10 GHz。相比于传统微波或图像传输设备使用的百兆比特级带宽（2 GHz、5 GHz），毫米波波段可提供的传输带宽为吉比特级。两者相比相差两个数量级。

1.2 传输设备轻型化和微型化

毫米波波长为毫米级，因此毫米波天线阵列也为毫米级，在同等物理空间情况下，可容纳更多的天线。相比于传统的无线微波传输设备，毫米波器件设计和部署具有小尺寸、轻重量、高增益及低成本等优势特点。

1.3 信号损耗大、衍射绕射能力差

自由空间损耗是自由空间中发射信号强度的损耗。相隔一定距离的两点之间，自由空间损耗L以距离d和使用频率f为参数的公式为

L=92.4+20lgf+20 lgd（1）

式中：f表示频率，单位为GHz;d表示距离，单位为km;L表示自由空间损耗，单位为d B。

由式（1）可见，以60 GHz毫米波频段为例，相比于5 GHz以下的频段，其在同等距离下自由空间损耗增加了超过21 d B。

根据电磁波衍射原理基本定义可知，信号波长越大，波动性越明显，越容易发生衍射现象。毫米波的波长为毫米级，波长很难大于障碍物尺寸，因此毫米波在遇到障碍物时很难产生衍射现象。

2 基于部分反射面的低剖面透射式超表面

部分反射面（PRS）是一种由微单元周期性排布构成的二维平面结构，布置在距馈源金属地板高度为hr的位置。PRS的谐振条件表示为：

hr=（ϕΡRS360°-0.5）λ2+Νλ2（2）

式中：N表示波数；λ是自由空间波长；ϕPRS是PRS单元在电磁波正入射下时的反射相位，单位为度。当高度hr近似等于（N+1/2）×λ时，由于多次反射波的同相叠加，在PRS法向可获得最大功率，即馈电源辐射的球面波在近场中被PRS转换为准平面波。

为了展宽PRS的工作带宽，本文在PRS单元的设计中使用了基于互补结构的多层堆叠设计。PRS单元上下两层采用相同的互补金属贴片和金属方环，中间使用100μm厚的FR-25介质作为粘接层。同时，所设计的PRS阵面使用不同反射率的PRS单元以进一步提升其相位整形带宽。PRS总共包含18×18个单元，中间10×10个单元为具备较高反射率的UCA（Unit Cell A），其余部分排布反射率较低的UCB（Unit Cell B）。

超表面阵面采用3-bit编码设计，总共由8个具备不同相位响应的微单元构成。微单元的尺寸为1.5 mm×1.5 mm， 由2层厚度为0.254 mm的Rogers 5 880介质板和一层FR-25粘接层组成。

对于距离PRS高度为h1，具有m×n个单元的透射式超表面阵面，其上每个单元所需的相移是空间相位延迟和校正相位的叠加，可以表示为：

ϕTmn=αmn+ϕmni（3）

式中：上标T代表透射（Transmissive），ϕmni是经过PRS整形之后在第（m， n）个单元位置处的主极化电场相位。αmn代表空间相位延迟，表示为：

αmn=k0×（mpz×cosθ+npy×sinθsinφ）+ϕc（4）

式中：py和pz是沿y轴和z轴的单元周期，k0是中心频率的波数，ϕc是相位常数，（θ，φ）表示所需的波束方向。通过对超表面单元进行适当的排布，就可以将波束调控到所需的方向。

4 超天线未来研发的机遇与挑战

相较于采用常规技术并受物理规律限制的电磁器件设计，超构材料有望突破天然材料电学特性上的限制。作为一种物理概念，而非特定技术，超构材料极大地延伸了电磁理论的研究，革命性地推动了天线技术的发展。在微波频段，超天线已经得到了广泛成功的应用，不仅提高了天线的性能，还引入了全新功能。

为了更深入地了解上述主题，强大的新型建模工具也很重要，因为超天线在单元形状、阵列配置和运行机制方面日趋复杂。例如，特征模式分析（characteristic mode analysis，CMA）已成功地应用于超天线的设计。从特征模式分析中获得的信息能有效地指导复杂的系统设计与配置，以实现更强性能。

基于人工智能（artificial intelligence，AI）的机器学习（machine learning，ML）或深度学习（deep learning，DL）是另一种重要且具有前瞻性的工具，用于生成、设计和优化超大规模和复杂的超天线。随着设计自由度的大幅增加，尤其是单胞的排列升级，现今单胞和透镜天线的性能都得到了显著改善，但其导致单胞设计愈加复杂。然而，所有单胞的设计都是由经过训练的机器完成的。越来越多的研究工作表明，基于先验知识的机器学习（PK-ML）在超天线的优化和合成中具有巨大的应用潜力。

结束语

本文利用标准的PCB工艺，对波束指向为（90°，0°/180°），（120°，0°/180°）和（90°，-30°/210°）的三个超表面天线进行了加工。由于测试条件限制，本文只对超表面的透射特性进行了测试。测试结果表明，透射最大增益出现在92 GHz， 增益最大值为21.7 dBi， 1-dB和3-dB增益带宽分别为6%（89～94.5 GHz）和14.7%（85～98.5 GHz）。本文设计了工作在W波段的宽带超表面天线，包括基于部分反射面的低剖面透射式超表面天线和一款基于多层十字结构的双向波束调控超表面天线。第一款超表面利用法布里-珀罗谐振腔的相位整形效应，解决了低剖面约束下的高频毫米波透射式超表面实现问题，天线最大增益为20.7 dBi， 3-dB增益带宽为15.2%。该天线均展示了良好的宽频带性能，可为6G通信系统的应用提供技术基础。

参考文献

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