|
|
| 让毫米波相控阵“一板多用”：面向B5G/6G多标准系统的紧凑型D3相控阵 |
|
东南大学洪伟教授研究团队联合紫金山实验室等研究人员在中国工程院院刊Engineering发表题为“A Compact Millimeter-Wave, Dual-Band, Dual-Polarized, Duplex, and Scalable Phased Array Enabling B5G/6G Multi-Standard Systems”（面向B5G/6G多标准系统的紧凑型毫米波双频双极化双工可扩展相控阵）的研究文章。该研究提出了一种紧凑型双频双极化双工（D³）相控阵架构，在单块印刷电路板（PCB）上集成四套独立波束赋形系统，使1×4相控阵可在28 GHz和38 GHz两个频段同时支持水平/垂直双极化信号的发射或接收，为B5G/6G毫米波多标准通信系统提供了一种可扩展的阵列实现方案。
毫米波通信为什么需要“多标准”相控阵？
B5G/6G网络将面向车联网、智慧家庭、智能制造、远程感知和智慧城市等多类场景，这些应用通常同时要求高带宽、低时延和灵活覆盖。毫米波通信能够提供更宽频谱和更高速率，但也面临路径损耗高、穿透能力弱等问题，因此需要依靠相控阵波束赋形来提升覆盖能力和链路可靠性。
传统单频、单极化相控阵已在5G毫米波系统中得到应用，但难以满足未来多频段、多标准和多用户并行接入需求。双频相控阵可以覆盖多个通信频段，双极化系统则可提升频谱利用效率和通信稳定性。然而，已有方案往往存在口径利用率低、频段间无法独立波束扫描、难以支持频分双工（FDD）等问题。本文提出的D³相控阵正是面向这一需求设计，如图1所示，其可服务于B5G/6G多用户、多标准毫米波通信场景。
图1.D³相控阵在B5G/6G场景中的应用示意图
D³架构：在同一口径中实现双频、双极化与双工
现有双频双极化相控阵大致有两类思路。一类是不同频段使用不同辐射口径，这会增加阵列尺寸和制造成本；另一类是在单一口径内采用宽带双极化阵列，但不同频段往往共用宽带通道，难以实现双频独立波束和FDD工作。
本文提出的D³架构采用单口径宽带天线，并在天线后端引入双工器，将信号拆分为28 GHz和38 GHz两个独立频率通道，再分别连接对应的波束赋形系统。如图2所示，该结构可在同一辐射口径中同时支持双频、双极化和双工功能，使水平极化与垂直极化、28 GHz与38 GHz信号分别具备独立波束控制能力。在物理实现上，研究团队采用砖块式（brick-type）结构，而不是将所有有源电路密集堆叠在辐射口径正下方。这样可以在有限空间内放置四套独立波束赋形系统和多个无源器件，同时缓解多频多通道集成带来的布线、隔离和散热压力。该结构还支持沿两个方向扩展，可作为小型独立阵列使用，也可作为更大规模阵列的子模块。
图2.多口径、单口径宽带与D³相控阵架构对比
宽带端射天线与四套波束赋形系统
为了支撑D³相控阵的双频双极化工作，研究团队设计了一种宽带双极化端射磁电偶极子天线。该天线采用单一辐射体实现双极化端射辐射，避免了传统方案中为不同极化分别设置辐射体所带来的结构复杂度。测试结果显示，该天线在24.8-40.3 GHz范围内实现回波损耗低于-10 dB的阻抗带宽，对应47.6%的工作带宽，可覆盖多个毫米波通信频段。
在系统层面，1×4 D³相控阵由4个宽带双极化端射天线构成，天线中心间距为5.5 mm。阵列中集成了两类商用多通道波束赋形芯片：MSTR102E覆盖24.25-29.50 GHz，MSTR104E覆盖37.0-42.5 GHz。研究团队使用两颗MSTR102E和两颗MSTR104E，分别服务于不同频段和极化组合，从而形成四套独立的波束赋形系统。如图3所示，四套系统与双工电路、滤波器和射频互连结构共同集成在多层PCB中，实现了紧凑化封装。
图3.D³相控阵系统框图与多层馈电板结构
本文提出并实现了一种面向B5G/6G毫米波多标准系统的D³相控阵原型。该原型在单块PCB上集成四套独立波束赋形系统，可同时支持28 GHz和38 GHz两个频段，以及水平/垂直两种极化下的独立波束控制。实验结果表明，该阵列在28 GHz下可实现超过±45°的波束扫描范围，在38 GHz下可实现超过±30°的波束扫描范围，两种正交极化在两个频段均具备稳定独立的波束扫描能力。在辐射性能方面，阵列在26.5-29.5 GHz频段的峰值EIRP达到31.4 dBm，在37-40 GHz频段的峰值EIRP达到27.6 dBm，并在不同频段之间保持较高的带外抑制能力，为频分双工（FDD）工作提供了支撑。进一步的64-QAM无线传输测试验证了该阵列在不同频率、不同极化和不同波束状态下的链路传输能力。
整体来看，该研究将双频、双极化、双工和可扩展设计集成到紧凑型毫米波相控阵中，使同一阵列口径能够服务于多频段、多极化和多波束通信需求。其1×4线阵还可作为更大规模平面阵列的基本模块，为B5G/6G毫米波多标准系统中的紧凑型阵列设计提供了工程参考。（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095809925003145
