Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2021 Vol.22 No.4 P.437-614

Cover:

<691>

Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Issue on High-Throughput Millimeter-Wave Wireless Communications

Guest Editor-in-Chief: Wei HONG; Guest Editor-in-Chief Assistants: Guangrong YUE and Haiming WANG; Guest Editors: Xiaohu GE, etc.

Editorial

Editorial: High-throughput millimeter-wave wireless communications

Wei Hong, Guangrong Yue, Xiaohu Ge, Haiming Wang

DOI: 10.1631/FITEE.2120000 Downloaded: 2209 Clicked: 3818 Cited: 0 Commented: 0(p.437-440) <Full Text>

Review Articles

Review Article: Millimeter-wave wireless communications for home network in fiber-to-the-room scenario

Chao He, Zhixiong Ren, Xiang Wang, Yan Zeng, Jian Fang, Debin Hou, Le Kuai, Rong Lu, Shilin Yang, Zhe Chen, Jixin Chen

DOI: 10.1631/FITEE.2000440 Downloaded: 4211 Clicked: 4877 Cited: 0 Commented: 0(p.441-456) <Full Text> <PPT> 1639

Chinese summary <51> 光纖到屋場景下(xià)的Q波段毫米波通信

關鍵詞組：

賀超¹，任志(zhì)雄¹，王祥¹，曾焱¹，方箭²，侯德彬³，蒯樂³，
陸容³，楊仕林³，陳喆³，陳繼新³
¹華爲技術有限公司，中(zhōng)國深圳市，518129
²國家無線電監測中(zhōng)心，中(zhōng)國北(běi)京市，100037
³東南(nán)大(dà)學毫米波國家重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，210096

概要：毫米波技術無論在室外(wài)長距離(lí)通信還是室内短距離(lí)通信中(zhōng)都獲得了廣泛關注和深入研究。受限于高路損與穿牆損耗，毫米波室内覆蓋是關鍵難點問題。近兩年，随着第五代固定網絡接入技術（Fifth generation fixed networks，F5G）的興起并提出光纖到屋（fiber-to-the-room，FTTR）技術，無疑爲解決毫米波室内覆蓋提供了強有力手段。依賴于鋪設到每個房間的光纖基礎設施，FTTR爲大(dà)通量毫米波通信創造了超大(dà)帶寬的連接通道，使得毫米波可以全面高效覆蓋每個房間。同時，毫米波頻(pín)段的高穿牆損耗反而爲消除跨房間無線通信系統間的幹擾創造了有利條件，從而爲大(dà)通量零幹擾家庭無線接入建立基礎。
爲推廣毫米波技術應用，中(zhōng)國無線電監管機構于2013年發布Q波段（42-48GHz）頻(pín)譜用于室内無線接入，并由東南(nán)大(dà)學洪偉教授牽頭制訂Q-LINKPAN和IEEE 802.11aj通信标準。受益于單載波體(tǐ)制設計，該标準減少了對射頻(pín)器件動态範圍要求，降低了毫米波技術商(shāng)用門檻。本文首先對近20年家庭接入技術進行回顧，包括非對稱雙絞線、電力線、同軸線和光纖接入技術，然後介紹了毫米波無線局域網技術，重點分(fēn)析了Q波段毫米波通信物(wù)理層鏈路、Q波段毫米波射頻(pín)芯片現狀、毫米波天線設計，結合當前雲虛拟現實（could virtual reality, cloud VR）等新應用讨論了産品化節奏，最後對Q波段毫米波樣機和測試結果進行了介紹。文末對于FTTR新架構下(xià)的毫米波技術挑戰進行了展望，對包括波束成形、漫遊、高效率射頻(pín)天線設計、精簡協議與系統集成、标準化與非通信應用研究等将會是家用毫米波技術持續發展的重要課題。
IEEE 802.11aj标準主要支持單載波（single carrier, SC）與正交頻(pín)分(fēn)複用（OFDM）兩種通信體(tǐ)制，通過引入單載波體(tǐ)制降低了信号峰均比進而降低對射頻(pín)器件動态範圍要求。通信模闆最大(dà)支持64-QAM，在4條空間流情況下(xià)可以支持14 Gb/s的峰值速率。當前毫米波功放(fàng)效率不高，爲進一(yī)步對抗路損、高增益高效率的CMOS PA、全集成天線設計以及波束成形與跟蹤等技術需要持續考慮。
Cloud VR類應用對于網絡質量提出了更高要求，在2019年VR分(fēn)級标準中(zhōng)，旗艦級VR需要端到端3 Gb/s以上帶寬和5 ms以内的時延。爲保證Cloud VR業務體(tǐ)驗，歐洲電信标準化組織（ETSI）提出專門針對雲VR的切片架構，由此成爲家用毫米波通信的重要抓手。當前光接入網絡正大(dà)範圍從GPON向10G-PON遷移，爲高帶寬毫米波接入奠定了回傳網絡基礎。
當工(gōng)作在540 MHz和1080 MHz帶寬下(xià)時，Q波段毫米波樣機收發環回信噪比分(fēn)别可達25 dB和20 dB，在16-QAM@1080MHz調制模闆情況下(xià)可實現單流2 Gb/s通信速率，當工(gōng)作在64-QAM時，通過4×4 MIMO最終可支持10 Gb/s以上速率。

Review Article: Integrated communication and localization in millimeter-wave systems

Jie Yang, Jing Xu, Xiao Li, Shi Jin, Bo Gao

DOI: 10.1631/FITEE.2000505 Downloaded: 3845 Clicked: 4833 Cited: 0 Commented: 0(p.457-470) <Full Text> <PPT> 1699

Chinese summary <43> 毫米波系統中(zhōng)的通信定位一(yī)體(tǐ)化技術

楊傑¹，徐靖¹，李潇¹，金石¹，高波^2,3
¹東南(nán)大(dà)學移動通信國家重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，210096
²中(zhōng)興通訊股份有限公司，中(zhōng)國深圳市，518001
³移動網絡和移動多媒體(tǐ)技術國家重點實驗室，中(zhōng)國深圳市，518001
概要：随着第五代（5G）移動通信系統的商(shāng)業化，關于5G和6G移動通信系統的演進也已經展開(kāi)了廣泛的研究。未來的移動通信系統顯然正朝着更加智能化和軟件可重新配置的方向發展，它可以提供萬物(wù)互聯能力，并且能感知(zhī)、控制和優化無線環境。因此，通過利用毫米波的高定向傳輸特性來整合通信與定位是一(yī)個很有前景的方法。這種方法不僅擴展了通信系統的定位能力，而且提供了增強通信的新概念和新機會。本文解釋了毫米波系統中(zhōng)的通信定位一(yī)體(tǐ)化技術，該技術共享同一(yī)套硬件架構和算法體(tǐ)系；闡述了基于超大(dà)規模天線陣列和模型驅動神經網絡的通信定位一(yī)體(tǐ)化技術；并爲定位輔助的毫米微波通信提出全面的指導。
通信定位一(yī)體(tǐ)化技術通過共享無線通信的基礎設施和時間-頻(pín)率-空間資(zī)源，來實現通信和定位的先進技術在硬件架構和算法系統層面上的高度整合。通信和定位的協同能通過高速率、低延時的毫米波通信系統的信息交互能力來實現。通信和定位的共同設計打破了二者單獨運行的傳統模式，并在一(yī)個系統中(zhōng)實現了高吞吐量的通信和高精度的定位。因此，通過信道估計獲得的信道狀态信息（CSI）不僅是通信的基礎，也含有發射端、接收端和周圍散射體(tǐ)的位移和移動的附帶信息。毫米波系統中(zhōng)的通信定位一(yī)體(tǐ)化是基于CSI或CSI相關參數的。然後，更加可靠的通信能提供定位所需要的更加精确的測量，通信和定位的相互輔助與增強就能以叠代的方式實現。此外(wài)，更加精确的位置估計減少了通信開(kāi)銷。
毫米波通信系統中(zhōng)的定位旨在基于基站或錨節點發送或接收的一(yī)組無線參考信号，估計用戶設備或代理節點的位置、速度和方向以及可能的散射體(tǐ)。通過複用毫米波通信的基礎設施來部署定位既方便又(yòu)劃算。該過程重複利用了通信系統接收端已有的實時信道狀态信息。
（1）基于超大(dà)天線陣的定位
随着天線維度逐漸上升，天線陣列輻射的近場區的距離(lí)也逐漸增大(dà)，因此用戶和重要的散射體(tǐ)就更可能會被定位在陣列的近場區。基于球面波的大(dà)均勻線性陣列的标準響應模型，允許使用新參數表征路徑，即在平面波的假設之下(xià)，除了常規參數之外(wài)，源和參考點之間的距離(lí)也可以用來表征路徑。因此，近場效應有利于用波前曲率共同估計源的距離(lí)和方向。這個過程可以提高定位的準确性，并可能取消參考錨之間顯式同步的需求。
（2）基于模型驅動神經網絡的定位
爲克服基于純數據或純模型的定位方法的缺點，提出一(yī)種基于混合數據和模型的定位方法，即基于模型的神經網絡定位。使用這個技術，就能夠設計出帶有理論定位基礎的神經網絡拓撲，網絡的結構可以被解釋和預測。目前，将神經網絡與幾何模型相結合的定位方法很少被提及。基于模型的神經網絡方法很明顯保留了基于模型方法的優點（确定性和理論合理性）和基于數據方法的強大(dà)學習能力。它還克服了精準建模的困難，避免了時間和計算資(zī)源的大(dà)量需求。基于模型的神經網絡定位包括3個部分(fēn)：測量模型、定位算法和神經網絡。
毫米波頻(pín)段的電磁特性決定了毫米波通信的高方向性。因此，位置信息（包括速度）與毫米波通信的各個方面有關，例如自由空間路徑損耗、多普勒頻(pín)移、信道質量、波束方向、阻塞和幹擾水平。傳統的毫米波通信完全基于估計的CSI運行，因此要求非常頻(pín)繁的波束訓練和信道估計過程，以克服毫米波信号所經受的大(dà)路徑損耗和高阻塞概率。受通信系統獲得的高精度位置信息的激勵，傳統的基于CSI的通信方法可以轉變爲基于CSI和基于位置的混合方法。
當前的毫米波通信系統是爲無線通信而非定位應用而設計的。因此，通過毫米波通信和定位一(yī)體(tǐ)化系統的高吞吐量通信和高精度定位需要額外(wài)的研究，包括硬件不理想特性、通信和定位層的交互設計、跨設備信息的融合等。

關鍵詞組：毫米波；通信定位一(yī)體(tǐ)化；位置輔助通信；超大(dà)規模天線陣列；可重構智能表面；人工(gōng)智能；神經網絡

Research Articles

Radio propagation measurement and cluster-based analysis for millimeter-wave cellular systems in dense urban environments

Peize Zhang, Haiming Wang, Wei Hong

DOI: 10.1631/FITEE.2000489 Downloaded: 3584 Clicked: 5344 Cited: 0 Commented: 0(p.471-487) <Full Text> <PPT> 1492

Chinese summary <34> 密集城區場景毫米波電波傳播測量和分(fēn)簇信道建模

張沛澤^1,2，王海明^1,2，洪偉^1,2
¹東南(nán)大(dà)學毫米波國家重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，210096
²紫金山實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，211111
概要：随着毫米波無線通信技術日趨成熟以及2019年世界無線電大(dà)會（WRC-19）正式将24.25–27.5、37–43.5、66–1 GHz等頻(pín)段分(fēn)配給國際移動通信系統，預計毫米波通信系統近期将陸續在世界範圍内大(dà)規模商(shāng)用部署。毫米波存在路徑損耗大(dà)、難穿透等不利的傳播特性，其覆蓋範圍受到很大(dà)限制。城市密集城區将是未來毫米波系統商(shāng)用部署并發揮其大(dà)容量優勢的主要應用場景。本文基于信道實測數據探明了在典型的密集城區場景和毫米波頻(pín)段下(xià)信道多徑分(fēn)簇特性，爲未來毫米波系統傳輸設計和覆蓋優化提供了研究基礎和實驗依據。
毫米波信道測量系統利用高性能矢量信号源和矢量信号分(fēn)析儀搭建了射頻(pín)前端可重構的雙定向信道測量系統。在發送端使用寬波束喇叭天線實現扇區覆蓋，其位置與現網4G基站的部署位置一(yī)緻；在接收端通過連續旋轉高增益喇叭天線獲取接收信号的角度信息。該系統可靈活支持多頻(pín)段多場景信道測量，實現空-時-頻(pín)多維信道特性獲取。我(wǒ)們在兩種典型密集城區環境以及28和39 GHz兩個典型5G毫米波确認頻(pín)段開(kāi)展了大(dà)量信道實測，構建了信道實測數據庫。考慮毫米波信道存在稀疏特性，提出改進的兩步KPowerMeans多徑分(fēn)簇算法，在提升分(fēn)簇準确性的同時有效減少了算法叠代次數。基于實測和分(fēn)簇結果，可進一(yī)步分(fēn)析環境因素對信道特性的影響，并建立在城市密集城區視距（LoS）和非視距（NLoS）場景下(xià)完備的多徑簇統計信道模型。
信道分(fēn)簇統計建模結果表明：在密集城區場景通常存在5–8個多徑散射簇，具體(tǐ)的簇數目與環境密切相關，多徑主要由建築物(wù)外(wài)表面的一(yī)次和二次反射及屋頂和側邊繞射引起；由于存在豐富的多徑，在适當的系統配置下(xià)通過架高發射天線，毫米波系統在NLoS場景下(xià)的覆蓋範圍可達到200米以上；相比于全向信道而言，簇内時延和水平角度擴展遠小(xiǎo)于全向信道的結果，并且随着工(gōng)作頻(pín)率升高，兩者均呈現減小(xiǎo)趨勢；當接收機或用戶在同一(yī)水平維度時，全向和簇内接收俯仰角度擴展近似，并且随頻(pín)率變化不明顯；對于不同信道統計參數間的相關性進行了分(fēn)析，本文統計結果表明簇内時延和三維角度擴展間的相關性較弱。
綜上，基于大(dà)量的信道實測數據及信道分(fēn)簇結果，揭示了環境散射體(tǐ)與多徑散射簇的映射關系，文中(zhōng)給出反射和繞射等傳播機制對信道參數的影響，并在典型頻(pín)段構建了适用于城市密集城區場景的三維信道統計模型，建模結果有效彌補了3GPP、ITU等模型因數據缺失所存在的不足。最後，結合測量和建模結果，爲毫米波無線通信的物(wù)理層設計提供了參考。

關鍵詞組：毫米波通信；分(fēn)簇；繞射；多路通道；傳播測量

A study of uplink and downlink channel spatial characteristics in an urban micro scenario at 28 GHz

Tao Jiang, Jianhua Zhang, Pan Tang, Lei Tian

DOI: 10.1631/FITEE.2000443 Downloaded: 2833 Clicked: 4073 Cited: 0 Commented: 0(p.488-502) <Full Text> <PPT> 1334

Chinese summary <36> 28 GHz城市微蜂窩場景中(zhōng)上行與下(xià)行信道空間特性

姜濤，張建華，唐盼，田磊
北(běi)京郵電大(dà)學網絡與交換國家重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京市，100876
摘要：介紹了28 GHz城市微蜂窩（UMi）場景中(zhōng)上行和下(xià)行鏈路的水平到達角（AoA）實驗研究。目前，大(dà)多數毫米波頻(pín)段的角度測量都在下(xià)行鏈路中(zhōng)進行，然後利用信道互易性來推斷上行鏈路情況。盡管上行鏈路和下(xià)行鏈路的信道相關系數可以高達0.8，但這并不意味着它們完全相同。隻有對真實的上行鏈路進行測量才能準确描述其信道狀況，這也是本文的研究目的。在模拟上行鏈路和下(xià)行鏈路時，将配備有可旋轉喇叭天線的接收機分(fēn)别置于基站和用戶終端。爲提高角度分(fēn)辨率，使用空間替代廣義期望最大(dà)化（SAGE）算法提取多徑分(fēn)量（MPC），然後使用空間波瓣方法對MPC在功率角譜中(zhōng)分(fēn)簇。通過将MPC與環境中(zhōng)的對象匹配，發現直射傳播和一(yī)階反射傳播分(fēn)别在視距（LoS）和非視距（NLoS）情況下(xià)占主導地位。通過将測量結果與标準信道模型比較，可以驗證AoA的簇心角在上行鏈路和下(xià)行鏈路中(zhōng)均遵循高斯分(fēn)布。最後，爲簇内多徑的AoA和功率建立二維高斯模型，以反映它們的相關性。

關鍵詞組：信道測量；毫米波；上行鏈路；下(xià)行鏈路；水平到達角

Empirical study on directional millimeter-wave propagation in vehicle-to-infrastructure communications between road and roadside

Xichen Liu, Lin Yang, Daizhong Yu

DOI: 10.1631/FITEE.2000464 Downloaded: 2417 Clicked: 4902 Cited: 0 Commented: 0(p.503-516) <Full Text> <PPT> 1551

Chinese summary <33> 車(chē)地通信中(zhōng)定向毫米波傳播的實證研究

劉希晨，楊霖，餘代中(zhōng)
電子科技大(dà)學通信抗幹擾技術國家級重點實驗室，中(zhōng)國成都市，611731
概要：随着對高速移動通信日漸增長的需求，人們迫切需要高速車(chē)載通信系統。毫米波頻(pín)段由于其較廣的帶寬和豐富的頻(pín)率資(zī)源而受到越來越多的關注。然而毫米波通信系統的設計高度依賴于各種環境下(xià)的無線信道特性；因此，有必要對不同場景下(xià)毫米波信道進行研究。現有的對于長距離(lí)傳輸中(zhōng)毫米波的通信信道特性的研究較爲缺乏。本文基于信道實測數據研究了在1900米的長傳輸距離(lí)下(xià)41 GHz毫米波的車(chē)地通信的信道特征，爲今後長距離(lí)傳輸下(xià)車(chē)地毫米波系統設計提供了研究基礎。
41 GHz毫米波通信信道收發器數字基帶由模數轉換器AD6688、數模轉換器AD9163、兩個XC7VX690T FPGA和ZYNQ7045芯片組成，在接收機的射頻(pín)前端使用AD8362芯片記錄RSSI值。采用高增益10°半功率波束寬度(HPBW)的定向喇叭天線。利用天線增益高的優點，毫米波探測器能夠在長距離(lí)傳播引起的高信号衰減後檢測到毫米波信号。采用基于Golay互補序列對的時域信道測量方法完成車(chē)地場景下(xià)的信道脈沖響應(CIRs)測量。
測量是在四川省成都市的天府大(dà)道進行的，接收機天線安裝在路邊，發射機天線固定在車(chē)頂。天線離(lí)地高度均爲2米。在測量過程中(zhōng)，汽車(chē)以50 km/h的恒定速度向接收機天線行駛，沒有其他移動的車(chē)輛或散射體(tǐ)，也沒有明顯的遮擋，發射機和接收機始終處于視線(LoS)條件下(xià)。
結合所測數據，分(fēn)析得出該場景可被建模爲考慮了地面粗糙度的兩徑模型，從發射機到接收機有兩條路徑，包括直接路徑和反射路徑。然而，考慮到光滑路面情況，所得結果和實際接收信号強度指示(RSSI)不符。對于表面粗糙的介質，部分(fēn)電磁能量會因粗糙表面的散射而損失。爲獲得更好結果，采用的處理方法是引入反射系數。從最終得到的結果可以看出，在引入表面粗糙度後，接收信号強度指示的深衰落明顯減小(xiǎo)，更加符合實測數據。
均方根時延擴展（RMS delay spread）測量的RMS延遲範圍爲2~35 ns，平均值爲6.99 ns。可以發現實測均方根時延擴展數據與對數正态分(fēn)布N_log（1.78, 0.58²）較爲匹配。除了分(fēn)析均方根時延擴展的總體(tǐ)分(fēn)布外(wài)，還需讨論均方根時延擴展與發射機-接收機距離(lí)的關系。研究均方根時延依賴性的一(yī)種有效方法是将發射機-接收機路程上的原始數據劃分(fēn)爲若幹個單元，使每個單元中(zhōng)的CIRs可以看作是平穩的。随着距離(lí)的增加，均方根時延擴展值減小(xiǎo)，其原因是由于窄波束天線過濾了大(dà)量的散射體(tǐ)，使得直射路徑的衰減比散射路徑慢(màn)得多。
提出一(yī)種更爲通用的功率延遲分(fēn)布（PDP）模型，稱爲兩段指數模型，将功率延遲分(fēn)布曲線分(fēn)爲兩段。兩段指數模型涵蓋了一(yī)段指數模型的所有适用情況，并且可以解決噪底的問題。

關鍵詞組：毫米波；兩徑模型；均方根時延擴展；功率延遲分(fēn)布；CI-TRH路徑損耗模型

OTFS modulation performance in a satellite-to-ground channel at sub-6-GHz and millimeter-wave bands with high mobility

Tianshi Li, Ruisi He, Bo Ai, Mi Yang, Zhangdui Zhong, Haoxiang Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.2000468 Downloaded: 5067 Clicked: 5067 Cited: 0 Commented: 0(p.517-526) <Full Text> <PPT> 1498

Chinese summary <38> 星地高速移動場景OTFS性能研究

李天時¹，何睿斯¹，艾渤¹，楊汨¹，鍾章隊¹，張浩翔²
¹北(běi)京交通大(dà)學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京市，100044
²工(gōng)業和信息化部中(zhōng)國工(gōng)業互聯網研究院，中(zhōng)國北(běi)京市，100804
概要：第六代移動通信系統（sixth generation, 6G）相比5G (fifth generation）移動通信系統在應用場景、傳輸性能等方面需滿足更高指标。爲應對衛星、無人機和高速鐵路等高移動性場景，6G面臨的挑戰之一(yī)是滿足高達1000 km/h超高速移動場景的通信需求。空天地一(yī)體(tǐ)化通信系統以及高速率通信業務發展對下(xià)一(yī)代衛星通信系統的空口波形提出更高要求。正交時頻(pín)空（orthogonal time frequency space，OTFS）調制技術利用時延-多普勒域信道變化緩慢(màn)特性，将信息符号變換到時延-多普勒域傳輸，可充分(fēn)利用時間、頻(pín)率分(fēn)集。與正交頻(pín)分(fēn)複用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）技術相比，在高速移動場景下(xià)傳輸性能提升明顯，且具有更高頻(pín)譜利用率，更低峰均比（peak to average power ratio, PAPR）。相比OFDM技術，OTFS調制更加适合于星地高移動性通信場景。本文主要研究OTFS技術應用于星地通信的性能及信号檢測算法，利用3GPP最新的5G非地面網絡信道模型（5G NTN），在典型場景下(xià)開(kāi)展深入的仿真分(fēn)析與驗證，對相關技術的發展和系統設計具有指導意義。
OTFS發送端首先在時延-多普勒域進行數據符号複用得到X_dd，之後将逆有限傅裏葉變換（ISFFT）應用于X_dd，再進行海森(sēn)堡（Heisenberg）變換可得到OTFS系統發送端時域信号s(t)，在接收端進行以上變換的逆過程（Wigner變換和有限辛傅裏葉變換），即可得到OTFS系統的輸出信号Y_dd。OTFS系統的信道估計通常可采用在時延-多普勒域中(zhōng)插入導頻(pín)，利用導頻(pín)信号進行信道估計，可獲得用于信号檢測的信道狀态信息。OTFS系統的性能與采用的信号檢測方法密切相關，在高移動速度性場景下(xià)，由于多徑傳播和多普勒效應，時延-多普勒域中(zhōng)數據符号都會受到相鄰符号幹擾，OTFS系統的性能會因幹擾而損失，線性均衡方法由于缺乏幹擾消除，通常性能表現欠佳，因此采用基于連續性幹擾消除的最小(xiǎo)均方誤差算法（minimum mean square error with successive dection, MMSE-SD）進行信号檢測。
利用3GPP TR 38.811中(zhōng)的星-地移動信道模型，開(kāi)展了OTFS調制技術在星地高速移動場景下(xià)的性能研究，仿真結果表明，OTFS技術與OFDM技術相比BER性能更優，尤其在高移動速度場景下(xià)，在相同信噪比下(xià)，OTFS調制的誤碼率幾乎不受多普勒頻(pín)移增加的影響。而對于OFDM調制，誤碼率随着多普勒頻(pín)移增加而顯著增加。
比較了LoS和NLoS條件下(xià)4種不同場景（密集城區、城市、郊區、農村(cūn)）下(xià)OTFS和OFDM調制的誤碼率性能。結果表明，在LoS條件下(xià)，在郊區場景下(xià)的OTFS系統的誤碼率性能最優，在密集城區、城區和鄉村(cūn)場景下(xià)的OTFS系統性能接近，而在NLoS條件下(xià)，場景對誤碼率的影響相對較小(xiǎo)。
對比了低軌道衛星-地面通信中(zhōng)，OTFS和OFDM調制在密集城區、城區、郊區和鄉村(cūn)場景下(xià)的誤比特率性能。結果表明，在NLoS條件下(xià)的OTFS與OFDM的性能差距比在LoS條件下(xià)更大(dà)，在NLoS條件下(xià)，不同場景對OTFS和OFDM性能影響不大(dà)。
比較了不同速度和載頻(pín)下(xià)MMSE-SD和MMSE檢測算法的誤比特率性能，采用NTN-TDL-B信道模型，考慮密集城區場景。2.2 GHz和20 GHz對應的子載波間隔分(fēn)别爲15 kHz和60 kHz。結果表明，利用MMSE-SD算法可以提升OTFS調制在LEO星地通信中(zhōng)的性能，對于不同的終端速度和載頻(pín)，當誤碼率爲10⁻⁴時，MMSE-SD算法與MMSE相比可獲得約2.3 dB的信噪比增益。

關鍵詞組：時延-多普勒域；高移動性通信；最小(xiǎo)均方誤差算法；正交時頻(pín)空；星地通信；毫米波通信

Modeling and performance analysis of OAM-GSM millimeter-wave wireless communication systems

Qi Zhang, Xusheng Xiong, Qiang Li, Tao Han, Yi Zhong

DOI: 10.1631/FITEE.2000444 Downloaded: 3932 Clicked: 4904 Cited: 0 Commented: 0(p.527-547) <Full Text> <PPT> 1538

Chinese summary <32> OAM-GSM毫米波無線通信系統建模與性能分(fēn)析

張琪，熊緒勝，李強，韓濤，鍾祎
華中(zhōng)科技大(dà)學電子信息與通信學院，中(zhōng)國武漢市，430074
概要：随着5G與物(wù)聯網快速發展，海量移動設備湧入網絡，産生(shēng)巨大(dà)的數據交互需求，對未來網絡發展提出嚴峻挑戰。如何進一(yī)步提高通信網絡容量、支持更大(dà)規模的網絡接入，成爲亟待解決的關鍵問題。在傳統無線通信系統如MIMO中(zhōng)，空間調制、廣義空間調制等調制策略被提出，以提升毫米波通信系統的傳輸速率，同時頻(pín)率、時間等傳統自由度也已被充分(fēn)利用。因此，基于以上自由度很難進一(yī)步提高通信系統性能。由于軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）波在理論上具有無限個狀态，并且不同狀态之間存在自然正交性，OAM技術可以爲無線通信系統提供新的自由度。随着無線通信系統中(zhōng)使用的電磁波頻(pín)率逐漸升高，OAM技術也受到廣泛關注。受OAM狀态對信号進行編解碼的思想啓發，本文設計了OAM-GSM毫米波無線通信系統。與傳統的廣義空間調制（GSM）系統相比，OAM-GSM毫米波無線通信系統能夠帶來顯著的性能提升，可作爲未來移動網絡的候選解決方案。
OAM-GSM系統發射端采用由M個OAM發射天線陣元組成的均勻線性陣列（Uniform Linear Array, ULA）。系統接收端由M組接收天線對組成，每組接收天線對包含兩個接收天線，均安置在對應發射天線發射的OAM波的環形區域内。在OAM-GSM系統中(zhōng)，我(wǒ)們通過利用不同的OAM狀态進行編碼調制。信源的二進制比特流中(zhōng)的部分(fēn)比特可以映射到不同的OAM狀态，從而通過選擇發射不同的OAM波實現信息傳輸。此外(wài)，在OAM-GSM系統中(zhōng)，信源的二進制比特流中(zhōng)還有一(yī)部分(fēn)比特用于天線選擇，一(yī)部分(fēn)比特用于星座符号選擇。
文中(zhōng)使用分(fēn)離(lí)檢測法檢測傳統調制符号、激活天線矩陣和OAM狀态。在判斷OAM電磁波的OAM狀态時，可根據接收端兩個接收天線分(fēn)别檢測出的所在位置OAM波的相位，利用相位梯度法确定。在OAM-GSM系統中(zhōng)，發射天線數量的增加使系統的誤比特率（Bit Error Rate, BER）增大(dà)。爲降低大(dà)發射天線數下(xià)的BER值，文中(zhōng)提出OAM-GSM系統預編碼解決方案。
數值結果表明，與傳統GSM通信系統相比，OAM-GSM毫米波系統雖然具有更複雜(zá)的收發機制，但其信道容量和最大(dà)能量效率分(fēn)别提高80%、54%。同時，與傳統GSM系統相比，通過采用提出的信道預編碼算法，OAM-GSM毫米波系統的誤碼率下(xià)降91.5%。綜上所述，文中(zhōng)設計的OAM-GSM毫米波無線通信系統具有良好性能，可作爲未來移動網絡的候選解決方案。

關鍵詞組：軌道角動量；廣義空間調制；毫米波通信；信道容量；能量效率；誤比特率

Spatial fading channel emulation for over-the-air testing of millimeter-wave radios: concepts and experimental validations

Wei Fan, Lassi Hentilä, Pekka Kyösti

DOI: 10.1631/FITEE.2000484 Downloaded: 3007 Clicked: 4302 Cited: 0 Commented: 0(p.548-559) <Full Text> <PPT> 1589

Chinese summary <35> 用于毫米波性能空口測試的空間衰落信道重現技術：概念和實驗驗證

範偉¹，Lassi HENTIL?²，Pekka KY?STI^2,3
¹奧爾堡大(dà)學電子系統系天線傳播和毫米波系統實驗室，丹麥奧爾堡，9220
²是德科技，芬蘭奧盧，90014
³奧盧大(dà)學無線通信中(zhōng)心，芬蘭奧盧，90014
摘要：擁有大(dà)量可用頻(pín)譜資(zī)源的毫米波（mmWave）頻(pín)段使得毫米波通信被視爲第五代（5G）蜂窩系統的關鍵使能技術。爲使毫米波新無線電（NR）成爲現實，工(gōng)業界和學術界做出了巨大(dà)努力。毫米波NR的性能評估和測試是确保毫米波5G NR部署成功的關鍵和必不可少的步驟。極具吸引力和應用前景的毫米波空口（OTA）輻射測試方法是在實驗室條件下(xià)模拟實際的傳播條件對毫米波設備進行虛拟現場測試。本文首先讨論了在衰落信道條件下(xià)毫米波5G NR空口測量的需求和挑戰。之後，詳細介紹了兩種有前景的候選測試解決方案，即無線線纜和多探頭電波暗室（MPAC），其中(zhōng)包括這兩種方案的原理、對毫米波NR的适用性以及主要挑戰。最後展示了這兩種測試方案在28 GHz頻(pín)段下(xià)初步的實驗驗證結果。

關鍵詞組：空間信道模型；空口測試；無線線纜；多探頭電波暗室；FR2驗證

Beam squint effect on high-throughput millimeter-wave communication with an ultra-massive phased array

Zhiqiang Wang, Jiawei Liu, Jun Wang, Guangrong Yue

DOI: 10.1631/FITEE.2000451 Downloaded: 3747 Clicked: 5087 Cited: 0 Commented: 0(p.560-570) <Full Text> <PPT> 1560

Chinese summary <36> 高通量毫米波超大(dà)規模相控陣通信系統波束傾斜效應

王志(zhì)強，劉嘉偉，王軍，嶽光榮
電子科技大(dà)學通信抗幹擾技術國家級重點實驗室，中(zhōng)國成都市，611731
概要：毫米波頻(pín)段巨大(dà)的通信帶寬，爲超高速率通信傳輸提供了有效途徑。然而，毫米波頻(pín)段路徑損耗嚴重限制了系統傳輸距離(lí)。使用大(dà)規模陣列天線進行波束成形提高增益，可有效補償高路徑損耗的影響。但是，在大(dà)帶寬條件下(xià)，大(dà)規模陣列天線波束特性的改變将影響遠距離(lí)毫米波通信系統性能。本文讨論了大(dà)規模相控陣寬帶波束傾斜效應對毫米波單載波頻(pín)域均衡（SC-FDE）通信系統的影響。此外(wài)，基于恒包絡零自相關序列設計了一(yī)種修正模拟波束成形方案，可有效彌補波束傾斜效應帶來的性能損失。
考慮毫米波LoS-MISO系統，發射機部署大(dà)規模相控陣，接收機部署單個天線接收信号。空間無線信道假設爲單徑LoS信道。模拟相控陣列作用是形成空間波束指向固定方位接收機。當天線數目和信号帶寬較小(xiǎo)時，天線陣列響應符合窄帶假設（天線單元間的基帶信号時延可忽略不計），僅由空間角度決定。如果發射機已知(zhī)接收機方位，則可以直接依據該方位信息計算出移相器網絡各個移相器的移相值，這種方法稱之爲标準模拟波束成形方法。然而，當天線數目和信号帶寬較大(dà)時，天線單元間的基帶信号時延與通信碼元周期相比拟，則該時延不再能夠忽略。陣列矢量将由空間角度和頻(pín)率共同決定。如果仍采用上述标準模拟波束成形方法，由于移相器的移相值與頻(pín)率無關，則會導緻不同頻(pín)點的空間波束指向不同，該現象即爲大(dà)規模相控陣中(zhōng)的寬帶波束傾斜效應。
從通信角度而言，發射機移相器網絡和空間無線信道被看作爲空間多徑等效信道。每個天線通道看作一(yī)條信号路徑，則該等效信道是由多條等功率但具有一(yī)定時延差的信号路徑組成。波束傾斜效應産生(shēng)的影響主要可以分(fēn)爲兩方面：（1）等效信道頻(pín)率選擇性：随着天線數目和空間角度增加，等效信道頻(pín)率響應逐漸從不平坦性表現爲頻(pín)率選擇性；（2）系統等效信噪比損失，且該信噪比損失不可彌補。
本質上，上述空間多徑等效信道頻(pín)域響應相當于模拟波束成形矢量關于天線空間采樣的離(lí)散傅裏葉變換。爲使等效信道盡可能平坦，可以尋找一(yī)種在頻(pín)域具有平坦特性的序列設計模拟波束成形加權矢量。恒包絡零自相關序列即是滿足該要求的序列。本文使用恒包絡零自相關序列中(zhōng)的Zadoff-Chu（ZC）序列對标準模拟波束成形進行修正。
此外(wài)，信道頻(pín)率選擇性會導緻傳輸系統出現碼間幹擾。這可以在單載波系統中(zhōng)通過時域或頻(pín)域均衡消除。另外(wài)，可以使用多載波系統，将信道劃分(fēn)爲多個正交子載波，每個子載波信道可以看作頻(pín)率平坦信道。對于毫米波通信而言，選擇單載波頻(pín)域均衡（SC-FDE）方案更适合實際實現。單載波避免了多載波系統峰均功率比（PAPR）很大(dà)的問題，使得在系統設計中(zhōng)可以采用更經濟高效的功率放(fàng)大(dà)器，技術更成熟，系統穩定性更高。在接收機端，我(wǒ)們使用低複雜(zá)度迫零（ZF）均衡和最小(xiǎo)均方誤差（MMSE）均衡算法。本文提出的修正模拟波束成形方法能夠有效抵抗由于波束傾斜效應産生(shēng)的碼間幹擾。
綜上，在毫米波通信系統中(zhōng)采用大(dà)規模相控陣可以提高通信傳輸距離(lí)。但在大(dà)規模陣列和高寬帶情況下(xià)，大(dà)規模相控陣列中(zhōng)的寬帶波束傾斜效應會導緻波束增益降低和系統碼間幹擾。本文提出的基于恒包絡零自相關序列修正模拟波束成形方法通過對模拟波束成形矢量進行修正設計，使得空間等效信道盡可能平坦，從而有效消除寬帶波束傾斜效應帶來的碼間幹擾。

關鍵詞組：超大(dà)規模相控陣；毫米波；波束傾斜；Zadoff-Chu；單載波頻(pín)域均衡

Performance analysis and power allocation of mixed-ADC multi-cell millimeter-wave massive MIMO systems with antenna selection

Tao Zhou, Guichao Chen, Cheng-xiang Wang, Jiayi Zhang, Liu Liu, Yiqun Liang

DOI: 10.1631/FITEE.2000509 Downloaded: 2550 Clicked: 6176 Cited: 0 Commented: 0(p.571-585) <Full Text> <PPT> 1693

Chinese summary <35> 帶有天線選擇的混合精度ADC多小(xiǎo)區大(dà)規模MIMO毫米波系統的性能分(fēn)析和功率優化

周濤，陳貴潮，王承祥，章嘉懿，劉留，梁逸群
¹北(běi)京交通大(dà)學電子信息工(gōng)程學院，中(zhōng)國北(běi)京市，100044
²中(zhōng)國鐵道科學研究院國家鐵路智能運輸系統工(gōng)程技術研究中(zhōng)心，中(zhōng)國北(běi)京市，100081
³東南(nán)大(dà)學信息科學與工(gōng)程學院移動通信國家實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，210096
⁴紫金山實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，211111
摘要：大(dà)規模MIMO和毫米波是5G的兩個關鍵技術。其中(zhōng)大(dà)規模MIMO技術能充分(fēn)挖掘空間資(zī)源，在不增加時頻(pín)資(zī)源的情況下(xià)顯著提高無線通信系統的頻(pín)譜效率和能量效率；同時，毫米波頻(pín)段由于具有大(dà)量的帶寬資(zī)源受到了人們的青睐。這兩個關鍵技術帶來性能提升的同時也帶來了一(yī)些問題。在大(dà)規模MIMO系統中(zhōng)，每個基站要配備上百根天線，同時也要配備與天線數量相對應的射頻(pín)、ADC等硬件設施，導緻基站的功耗和成本急劇增加。采用毫米波頻(pín)段進行通信的問題是路徑損耗大(dà)、穿透能力差等。本文針對大(dà)規模MIMO和毫米波存在的問題，提出一(yī)系列解決方法，爲大(dà)規模MIMO和毫米波的實際應用提供了一(yī)定的理論基礎。
在多小(xiǎo)區大(dà)規模MIMO毫米波系統中(zhōng)，發送端和接收端均采用了模數混合波束成形技術以克服毫米波頻(pín)段帶來的路徑損耗問題，并通過減少用戶和基站端射頻(pín)鏈的數量降低終端的成本和功耗。在發送端，本文考慮了一(yī)個通信小(xiǎo)區和N個幹擾小(xiǎo)區，每個用戶具有N_t根發送天線，但隻有1根射頻(pín)鏈；在接收端，基站具有N_r根天線爲N_u個用戶提供服務，同時，基站端配備了N_RF根射頻(pín)鏈和一(yī)個混合精度ADC架構。其中(zhōng)有N_RF0根射頻(pín)鏈連接高精度ADC，N_RF1根射頻(pín)鏈連接低精度ADC。此外(wài)，本文還考慮在基站端配備天線選擇模塊，該模塊的作用是動态地選擇出信道條件好的射頻(pín)鏈并令其連接高精度ADC使有限的高精度ADC獲得最大(dà)利用率。
通過嚴密的數學推導，得到了本文所研究系統上行可達速率的閉式表達式。速率計算結果表明：（1）在混合精度ADC架構下(xià)，無限增加用戶的發送功率會使上行可達速率趨于一(yī)個定值；（2）采用全精度ADC替代混合精度ADC架構且基站端天線數目趨于無窮大(dà)，可達速率不會趨于無窮大(dà)，而會趨于一(yī)個與毫米波信号多徑數目有關的定值；（3）當射頻(pín)鏈和毫米波信号多徑數目與基站端天線數目成正比，用戶發送功率與基站端天線數目成反比且基站端天線數目趨于無窮大(dà)時，用戶可達速率會趨于一(yī)個定值。此外(wài)，針對得出的閉式表達式以及不能通過簡單增加發送功率以增強用戶的可達速率等結論，本文提出了一(yī)種性能優化算法。該算法能夠在發送功率一(yī)定的前提下(xià)，最大(dà)化系統的可達速率。
對計算得到的可達速率的閉式表達式進行仿真分(fēn)析。首先通過閉式表達式與真實仿真結果的對比證明了本文所得到的閉式表達式的正确性。然後通過仿真結果證明了在基站端采用天線選擇模塊能顯著提升系統的頻(pín)譜效率。最後對系統的能量效率進行了計算與仿真，得出了系統能量效率随低精度ADC量化精度的變化趨勢以及頻(pín)譜效率和能量效率的最佳折中(zhōng)點。

關鍵詞組：毫米波；大(dà)規模多輸入多輸出；混合模拟-數字轉換器；性能分(fēn)析；天線選擇

A 9.8–30.1 GHz CMOS low-noise amplifier with a 3.2-dB noise figure using inductor- and transformer-based g_m-boosting techniques

Hongchen Chen, Haoshen Zhu, Liang Wu, Wenquan Che, Quan Xue

DOI: 10.1631/FITEE.2000510 Downloaded: 4894 Clicked: 5048 Cited: 0 Commented: 0(p.586-598) <Full Text> <PPT> 1432

Chinese summary <30> 基于電感和變壓器跨導提升技術、噪聲系數爲3.2 dB、帶寬爲9.8-30.1 GHz的CMOS低噪聲放(fàng)大(dà)器

陳宏塵¹，朱浩慎¹，吳亮²，車(chē)文荃¹，薛泉¹
¹華南(nán)理工(gōng)大(dà)學電子與信息學院毫米波與太赫茲廣東省重點實驗室，中(zhōng)國廣州市，510641
²香港中(zhōng)文大(dà)學（深圳）理工(gōng)學院，中(zhōng)國深圳市，518172
概要：随着第五代移動通信系統（5G）的到來，毫米波收發系統預期将陸續在世界範圍内大(dà)規模商(shāng)用部署。對于接收機來說，最關鍵的指标是要保持較高信噪比。因此，位于接收機前端的第一(yī)個有源模塊--低噪聲放(fàng)大(dà)器--起着非常關鍵的作用。但是，當頻(pín)率上升到毫米波段時，由于寄生(shēng)效應影響變大(dà)，高性能的寬帶低噪聲放(fàng)大(dà)器設計面臨着諸多挑戰。本文通過基于電感和變壓器的跨導提升技術，研制一(yī)款寬帶的高性能毫米波低噪聲放(fàng)大(dà)器。使用台積電（TSMC）65 nm CMOS工(gōng)藝流片并測試，這款低噪聲放(fàng)大(dà)器最低噪聲系數僅爲3.2 dB，帶寬高達20.3 GHz，适用于5G毫米波收發系統。
利用共栅放(fàng)大(dà)器(M₁)和共源放(fàng)大(dà)器（M₂）級聯構成完整的低噪聲放(fàng)大(dà)器。第一(yī)級選擇共栅級是因爲共栅放(fàng)大(dà)器的輸入阻抗低，易于實現寬帶的輸入匹配。但是，由于單純的一(yī)級放(fàng)大(dà)器增益不夠，所以級聯一(yī)個共源級作爲第二級放(fàng)大(dà)器提高增益。在低噪聲放(fàng)大(dà)器中(zhōng)，較高的增益通常需要更大(dà)功耗來實現，因此增益和功耗在實際設計中(zhōng)需要折中(zhōng)。但是，通過引入跨導提升技術，可以使得等效跨導G_m等于(1+A)g_m，其中(zhōng)A是提升因子，g_m是晶體(tǐ)管固有的跨導。如此，在同樣功耗（g_m）下(xià)，引入跨導提升技術可取得更高增益（G_m）；反之，對于相同增益（G_m），引入跨導提升技術後隻需要更小(xiǎo)功耗（g_m）。然而，傳統的跨導提升方法，即通過有源反饋實現，會引入大(dà)量噪聲。與傳統方法不同，本文提出利用電感提升跨導和變壓器提升跨導相結合的方式大(dà)幅提升第一(yī)級和第二級放(fàng)大(dà)器的跨導。首先通過在第一(yī)級放(fàng)大(dà)器（共栅級）加入栅極電感L_g，使L_g與晶體(tǐ)管M₁的寄生(shēng)電容在高頻(pín)處諧振，從而提升M₁的等效跨導。其次，針對第二級放(fàng)大(dà)器（共源級），通過引入變壓器TR₁，使M₂的栅極和源級同時輸入反相信号，從而提升M₂的等效跨導。通過仿真實驗，可以看到引入電感後提升了第一(yī)級放(fàng)大(dà)器的等效跨導。在第二級放(fàng)大(dà)器引入變壓器後等效跨導随耦合系數變化，可以看到，當耦合系數爲0時，等效跨導最低，随着耦合系數增大(dà)，等效跨導提升。
本文提出的寬帶毫米波低噪聲放(fàng)大(dà)器經台積電65納米CMOS工(gōng)藝流片加工(gōng)。去(qù)除測試PAD後的芯片面積僅爲0.1μm²。該低噪聲放(fàng)大(dà)器采用在片測試方法測試。其中(zhōng)，S參數由德國R&S公司生(shēng)成的ZVA67矢量網絡分(fēn)析儀測試。噪聲系數由帶有噪聲系數測試選件K30的FSW67頻(pín)譜分(fēn)析儀和Noisecom公司的噪聲源NC346V測試。
測試結果表明，低噪聲放(fàng)大(dà)器最大(dà)增益爲10.9 dB，3 dB帶寬從9.8 GHz到30.1 GHz，高達20.3 GHz，并且輸入匹配良好。另外(wài)，噪聲系數最低僅爲3.2 dB，且在整個3 dB帶寬内低于5.7 dB。此外(wài)，整體(tǐ)功耗僅爲15.6 mW。
由此可見，由于采用了基于電感和變壓器的跨導提升技術，該毫米波低噪聲放(fàng)大(dà)器在帶寬、增益和噪聲系數方面表現優異，适用于5G毫米波收發系統。

關鍵詞組：CMOS；跨導提升技術；低噪聲放(fàng)大(dà)器；變壓器；共栅級

A dual-polarized Fabry–Pérot antenna with high gain and wide bandwidth for millimeter-wave applications

Qingyi Guo, Hang Wong

DOI: 10.1631/FITEE.2000514 Downloaded: 3432 Clicked: 5026 Cited: 0 Commented: 0(p.599-608) <Full Text> <PPT> 1570

Chinese summary <32> 一(yī)種高增益、寬頻(pín)帶的毫米波雙極化法布裏-佩羅天線

郭慶毅，黃衡
香港城市大(dà)學毫米波太赫茲國家重點實驗室，中(zhōng)國香港，999077
摘要：随着毫米波無線通信技術日趨成熟，以及2019年世界無線電大(dà)會（WRC-19）正式将37–43.5 GHz，47.2–48.2 GHz和66–71 GHz等頻(pín)段用于國際移動通信（IMT），毫米波通信系統近期将陸續在世界範圍内開(kāi)展大(dà)規模商(shāng)用部署。毫米波存在路徑損耗大(dà)等不利的傳播特性。寬帶高增益毫米波天線作爲通信傳播和電子設備之間的接口，爲補償通信系統的路徑損耗、提高數據傳輸提供了保障。基于部分(fēn)反射表面的法布裏-佩羅天線憑借其結構簡單、剖面低、成本低、增益高的特點，在高頻(pín)段的應用中(zhōng)擁有更高的靈活度和潛力。本文提出一(yī)種高增益、寬頻(pín)帶的毫米波雙極化法布裏-佩羅天線，采用寬帶的雙極化饋源、近似橢圓抛物(wù)面的反射地闆以及全對稱的集成菲涅爾環的單層部分(fēn)反射表面，實現了寬帶高增益的雙極化毫米波法布裏-佩羅天線設計，爲毫米波天線應用和未來通信系統以及通信方案的創新奠定基礎。
所提出的天線結構由寬帶雙極化饋電源、準抛物(wù)面反射面和集成菲涅爾環的部分(fēn)反射表面組成。寬帶饋電源是一(yī)個3層介質層結構，具有垂直極化和水平極化的2個饋電端口，其輻射器是一(yī)個電磁偶極子。此饋電源采用磁電偶極子的輻射體(tǐ)結構實現寬帶的特性，通過十字形饋電縫隙提高兩個極化之間的極化隔離(lí)度，形成寬帶高隔離(lí)度的毫米波雙極化饋電源。設計了準抛物(wù)面的反射地闆以形成法布裏-佩羅腔體(tǐ)，從而激勵多模高斯模式，實現整個腔體(tǐ)的寬帶化。最後，采用菲涅爾環集成的部分(fēn)反射表面，完成對電磁波的相位調控，實現天線的高增益特性。
爲驗證上述設計方法和理念，對所設計的天線進行加工(gōng)制造以及測量。測試結果表明，此天線的垂直極化和水平極化的峰值增益分(fēn)别爲18.4和17.6 dBi，兩種極化的阻抗匹配帶寬爲14％。此外(wài)，兩種極化的隔離(lí)度高達40 dB，有效避免了兩個端口能量的串擾。這些性能确保所提出的雙極化法布裏-佩羅天線能有效應用于毫米波頻(pín)段無線通信系統。

關鍵詞組：雙極化；法布裏-珀羅腔天線；與菲涅耳帶透鏡集成的部分(fēn)反射面；毫米波波段；高增益；寬帶

Correspondence

Correspondence: Low-cost high-order-mode cavity backed slot array antenna using empty substrate integrated waveguide for the 5G n260 band

Zihang Qi, Xiuping Li, Hua Zhu

DOI: 10.1631/FITEE.2000503 Downloaded: 3015 Clicked: 4729 Cited: 0 Commented: 0(p.609-614) <Full Text> <PPT> 1240

Chinese summary <33> 面向5G n260應用的低成本基片集成空腔波導高次模背腔縫隙天線陣

齊紫航^1,2,3，李秀萍^1,2,3，朱華^1,2,3
¹北(běi)京郵電大(dà)學電子工(gōng)程學院，中(zhōng)國北(běi)京市，100876
²智能監控北(běi)京市重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京市，100876
³泛網無線通信教育部重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京市，100876
概要：毫米波天線設計面臨高增益、寬帶、低成本等諸多挑戰，在該頻(pín)段基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）由于其輻射損耗低和易集成的優勢而被廣泛應用。然而在毫米波頻(pín)段SIW的介質損耗直接降低了天線輻射效率，若采用低損耗介質材料會導緻較高的制造成本。基片集成空腔波導（Empty Substrate Integrated Waveguide，ESIW）結構通過去(qù)除SIW中(zhōng)介質，可實現電磁波低損耗傳輸，在毫米波頻(pín)段具有廣闊應用前景。本文面向5G n260頻(pín)段應用，提出一(yī)款采用低成本FR-4 PCB闆材設計的縫隙天線陣。天線采用基片集成空腔波導結構設計，消除了介質損耗，并引入高次模腔體(tǐ)結構，減小(xiǎo)饋電網絡複雜(zá)度，在保證天線性能前提下(xià)，實現了毫米波天線低成本制造，爲低成本毫米波天線設計提供了技術參考。
天線由5層FR-4 PCB闆組成，從頂層往下(xià)依次爲縫隙輻射層、高次模腔體(tǐ)層、耦合縫隙層、功分(fēn)饋電網絡層以及同軸饋電層。天線底部由2.4 mm同軸饋電，通過ESIW功分(fēn)饋電網絡，縫隙耦合激勵4×4個腔體(tǐ)中(zhōng)的TE₃₄₀模式，每個TE₃₄₀模式的腔體(tǐ)通過頂層的3×4個縫隙輻射，形成12×16的縫隙陣列。每層PCB闆都将ESIW部分(fēn)的介質去(qù)除并進行内壁覆銅處理，加工(gōng)完成的PCB闆通過周圍的定位孔用螺釘組裝。給出了測試S參數與仿真S參數以及測試增益與仿真增益的對比結果。S參數−8 dB帶寬可覆蓋n260的37–40 GHz頻(pín)率範圍。測試的最大(dà)實際增益爲27 dBi，通過與仿真的方向性系數對比，可估計得到天線輻射效率約爲72.4%。從天線在37、38、39、40 GHz處的輻射方向圖看，測試的方向圖與仿真結果具有很好一(yī)緻性。