第四個是MEMS的應(yīng)用。在頻率很低的時候,MEMS可以用作開關(guān),在手機(jī)終端,如果能對天線進(jìn)行有效的控制、重構(gòu),就可以實(shí)現(xiàn)一個天線多用。
以電磁透鏡為例,這一設(shè)計(jì)引進(jìn)了一個概念:在多單元的天線陣列前面放了一個電磁透鏡(這里指應(yīng)用于微波或毫米波低端頻段的透鏡,與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡不同),當(dāng)光從某一個角度入射后,就會在某一個焦平面上產(chǎn)生斑點(diǎn),這個斑點(diǎn)上就集中了大量的能力,這就意味著在很小的區(qū)域內(nèi)把整個能力的主要部分接收下來。
當(dāng)入射方向變化,斑點(diǎn)在焦平面上的位置也會發(fā)生變化。如上圖,當(dāng)角度正投射的時候,產(chǎn)生了黑顏色的能量分布,如果是按照某個角度θ入射(紅顏色),主要能量就偏離了黑顏色區(qū)域。
用這個概念可以區(qū)分能量是從哪里來的,入射的方向和能量在陣列上或者焦平面上的位置是一一對應(yīng)的。反之,在不同的位置激勵天線,天線就會輻射不同的方向,這也是一一對應(yīng)的。
如果用多個單元在焦平面上輻射,就可以產(chǎn)生多個載波束的輻射,也就是所謂的波束成形;如果在這些波束之間進(jìn)行切換,就出現(xiàn)波束掃描的現(xiàn)象;如果這些天線同時用,就可以實(shí)現(xiàn)Massive MIMO。這個陣列可以很大,但在每個波束上只要用很少的陣列就可以實(shí)現(xiàn)高增益的輻射。
普通的陣列如果有同樣大小的口徑,每次收到的能量是要所有的單元必須在這個區(qū)域內(nèi)接收能量,如果在很大區(qū)域只放一個單元收到的能量只是非常小的一部分;和普通陣列不同的是,同樣的口徑在沒有任何損耗的情況下,只用很少的單元就可以接收到所有的能量,不同的角度進(jìn)來,這些能量可以被不同的地方同時接收。
這大大簡化了整個系統(tǒng),如果每次工作只有一個方向的時候,只要一個局部的天線工作就可以,這就減少了同時工作天線的個數(shù)。而子陣的概念不同,它是讓局部多天線構(gòu)成子陣,這時候通道數(shù)是隨著子陣單元數(shù)的增加而減少的。例如10×10的陣列,如果用5×5變成子陣的話,那么就變成了只有四個獨(dú)立的通道,整個信道數(shù)也就減少了。
上圖右側(cè)顯示的是在基帶上算出來透鏡對系統(tǒng)的影響,水平方向是天線個數(shù),假設(shè)水平方向上一個線陣有20個單元,用透鏡的情況下,只用5個單元去接受被聚焦后的能量比不用透鏡全部20個單元都用上的效果要更好,前者的通信質(zhì)量更高以及成本、功耗更低。即便是最糟糕的情況,波從所有方向入射,這20個單元都用上和后者的效果也是一樣的。所以用透鏡可以改善天線的性能——用少量天線個數(shù),達(dá)到以往大型陣列的效果。
從這張PPT可以看出,用電磁透鏡可以降低成本、降低復(fù)雜度、增加輻射效率,還可以增加天線陣列的濾波特性(屏蔽干擾信號)等等。
這張PPT展示的是用在28GHz毫米波頻段上的天線,并且用了7個單元天線作為饋源。
如左側(cè)所示,前面的透鏡是用超材料制成的屏幕透鏡,用兩層PCB刻成不同的形狀進(jìn)行相位的調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)特定方向的聚焦。右側(cè)可以看出7個輻射單元性能,波瓣寬度是6.8°,旁瓣是18dB以下,增益是24-25dB。
這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁透鏡在基站上的應(yīng)用,同時也驗(yàn)證了超材料技術(shù)在天線小型化的作用。
毫米波的天線設(shè)計(jì)
眾所周知,5G將會擁有低頻段和毫米波兩個頻段,而毫米波的波長很短損耗很大,所以在5G通信里面,我們必須解決這一問題。
第一個方案是,襯底集成天線(substrate integrated antenna,即SIA)。