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国家重点研发计划“新一代（5G）移动终端关键无线性能及高频高速传输材料测量和评价技术研究”项目正式启动实施

|2021-06-07T16:31:15+08:007月 25th, 2020|新闻|

2020年7月23日，由中国信息通信研究院牵头承担的国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项——“新一代（5G）移动终端关键无线性能及高频高速传输材料测量和评价技术研究”项目正式启动实施，项目启动会采用线上、线下同步的方式在北京、上海、西安、深圳等地召开，项目实施方案评审会同日举行。工业和信息化部科技司、中国21世纪议程管理中心、项目专家组、项目负责人、课题负责人、项目承担单位代表等共40余人参会。 “新一代（5G）移动终端关键无线性能及高频高速传输材料测量和评价技术研究”项目由工业和信息化部推荐，中国信息通信研究院、北京无线电计量测试研究所、上海市计量测试技术研究院、西安电子科技大学、东南大学、深圳大学、中国电子技术标准化研究院、中电科仪器仪表有限公司、中国科学院上海高等研究院、OPPO广东移动通信有限公司等单位承担。本项目旨在填补我国5G移动终端测量评价标准体系和测量溯源手段的空白，形成具有自主知识产权的测量评价技术和系统，全面提升我国5G终端产业的整体质量水平。 中国信息通信研究院副总工程师史德年致欢迎辞，对项目启动会的召开表示祝贺。中国21世纪议程管理中心项目主管邢浩对项目管理和实施提出了具体要求，工业和信息化部科技司干部唐雷希望项目组在做好项目科研任务的同时，重视项目组织协调和管理工作。 项目负责人、中国信息通信研究院泰尔终端实验室副总工张睿介绍了项目总体情况，五个课题负责人泰尔终端实验室张钦娟博士、北京无线电计量测试研究所程春悦博士、西安电子科技大学赵鲁豫教授、泰尔终端实验室电磁兼容部主任周镒、上海市计量测试技术研究院电子与电气所室副主任朱建刚分别对各课题的实施方案进行了详细介绍。 专家组一致认为，本项目启动准备工作充分有序，课题研究目标明确、技术路线合理、实施方案可行。专家们希望项目组画好项目“施工图”，建立完善的联络机制，保障项目的顺利实施。 中国信息通信研究院泰尔终端实验室是集通信技术标准制定、测试认证、计量溯源等为一体的权威第三方机构，本次国家重点研发计划重点专项的实施，开启了泰尔终端实验室积极对接国家质量基础战略需求的新局面。泰尔终端实验室将以本次启动会为契机，进一步深化与高等院校、科研机构、先进企业的合作，建立统一稳定的沟通协调机制，开展5G移动终端测量评价关键技术联合攻关，为5G移动终端产业发展提供质量保障。    

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滤波器耦合矩阵理论的诞生

|2021-06-07T16:31:31+08:007月 23rd, 2020|文章|

上世纪70年代，通信卫星技术得到了飞速发展。通信卫星是一种无线信号的中继站，它接受地面基站A的信号，将信号载波频率转化到发射频率，将信号功率放大再传输给另一个地方的地面基站B。 卫星高高“悬挂“于地球上方，它能够看到大约1/3的地球表面，因此它能够避开山川盆地的阻隔，连接远在大洋彼岸的通信基站，它还能非常便捷地提供一对多的卫星电视服务。 图1. 通信卫星的无线模块结构[1]   图1所示的是通信卫星的射频系统结构，接收端天线Rx的信号首先通过一个宽带滤波器IFA（input filter assembly），将卫星通信频带之外的干扰信号加以抑制然后接收信号经过低噪声接收机RCVR，RCVR模块包括低噪放LNA（low noise amplifier），本振（local oscillator）和混频器（mixer）用于将接收频率向下转换到发射频率，以及驱动放大器（driver amplifier）。 图1中有一个备用的RCVR，主要目的是保证接收机工作的可靠性。 宽带信号经过低噪接收机之后便进入输入多工器IMUX（input multiplexer）。多工器的作用是将整个通信卫星的频谱分割成一个个非常窄的频带，每一路窄带信号由一个高功率放大器HPA（high-power amplifier）独立放大。 信号被放大之后再由输出多工器OMUX（output multiplexer）将其合并，由发射天线TX将信号送出。为了获得足够的输出功率，HPA工作在接近饱和区的状态，此时功率放大器无法在较宽的频带内保持良好的线性度，因此必须先将整个无线信号分成多路窄带信号，分别放大再合并。 输入输出多工器是由许多窄带滤波器以某种方式连接到一个公共端构成的。通信卫星使用的C和Ka波段的频率，这些波段被进一步划分为带宽24MHz~72MHz的多个窄带信道，这使得每一个信道滤波器的相对带宽（带宽和中心频率之比）通常在0.3%~2%之间。相较于宽带滤波器而言，窄带滤波器会使通带信号产生更大的群时延，同时相位线性度也会更差，因此通常需要设计平衡器（equalizer）以改善相位线性度。 滤波器设计的另一个关键问题是，多工器相邻信道频率非常接近，这对滤波器的带外抑制产生了很高的要求。此外，还要求滤波器功率容量大，体积和重量尽量小等等。 图2. 通信卫星上的圆波导双模滤波器     图2所示的圆波导双模滤波器的设计很好地应对了这一挑战。它采用空气填充的圆波导腔体，内部表面镀银之后，谐振器的Q值可以达到10000。由于每一个金属腔支持两个正交极化的TE11谐振模式，相较于单模滤波器，这个滤波器的空间利用率更高。 它有四个圆柱形谐振腔，在滤波器通带内一共有八个谐振模式，这八个谐振模式的耦合结构如图3所示，可以看到其中除了按照谐振模式顺序耦合之外，这个耦合结构还有两个交叉耦合，分别在谐振模式1和4之间以及在谐振模式5和8之间。 其中一个交叉耦合产生带外的传输零点，可以增强滤波器的频率选择性；另一个交叉耦合产生一对共轭传输零点，这对传输零点不能在幅度响应上直接被观察到，但是通过合理安排它们在复平面上的位置，可以起到改进相位线性度的作用。 图3. 圆波导双模滤波器的耦合拓扑结构 图3中所示中间有数字的圆表示一个TE11谐振模式，圆圈之间的连线表示谐振模式之间的耦合。 与经典的Butterworth和Chebyshev滤波器不同，图2所示的滤波器带有交叉耦合，它的设计需要一种新的理论工具，耦合矩阵就是在这样的背景下由A. E. Atia和A. E. Williams提出的[2]-[6]。 图4. 参考文献[4]中给出的耦合谐振网络电路模型   图4所示的是早期的耦合谐振网络电路模型。在这个电路模型中，每个谐振器是由电感电容串联谐振器来表示的，所有的电容均为1F，每一个谐振回路的总电感为1H，所以每一个谐振器的谐振频率均为1 rad/s。在最一般的情况下，任意两个谐振器之间都可以存在耦合，耦合是通过线圈的互感来表示的。假设输入端和输出端的参考阻抗分别为R1和Rn，这个电路的回路方程可以写为： 方程（1） 其中i1-in是n个谐振回路的电流，e1是在端口1外加的激励电压。通过求解方程（1）可以求得各个回路的电流，从而进一步求解整个网络的S参数。 方程（1）可以被归纳为如下形式： 方程（2） 上式为耦合矩阵的电路方程，其中[R]是一个稀疏矩阵，其中除了左上角的元素为R1，右下角的元素为Rn之外，其余元素均为0。[M]是耦合矩阵，其中每一个非对角线元素Mij表示第i个和第j个谐振器之间的耦合系数。（2）式左边第三个矩阵[I]是单位矩阵，而单位矩阵之前的变量p是一个和频率相关的变量：

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5G带来的多天线挑战及应对策略（中）

|2021-06-07T16:31:51+08:007月 13th, 2020|文章|

你的5G天线知识小能手突然出现！上一期我们了解到了阻挡我们5G冲浪的重重险阻，现在就让我们逐一击破，走在5G通信的最前沿吧！ 多天线系统的耦合和耦合控制，一直是学术界和工业界关注的热点问题。天线系统中的耦合如果得不到有效控制，会有以下问题： 造成天线副瓣较高，使得天线系统对其他通信系统造成干扰。对阵列的波束扫描能力有较大的影响，在一定角度扫描的时候出现有源驻波波动和失配。 由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差，进而直接影响数据吞吐率和误码率。 使得能够有效辐射的能量减少，造成天线阵增益降低，能量利用效率低下。 为了避免耦合较大，天线单元之间的距离保持在0.5到0.7波长，使得整个阵列的体积巨大，造成资源浪费。 解决耦合问题的主要方法是系统化的采用天线去耦合技术，总结来说，目前比较主流的去耦合技术主要有： 1. 去耦合电路（网络） 图1（a）两端口二阶CRDN与两天线并联去耦合 图1（b）三端口三阶CRDN与三天线并联去耦合 图1（c）双频双模CRDN与两个双频天线并联去耦合 图1（d）双频天线去耦合的效果图

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5G带来的多天线挑战及应对策略（上）

|2021-06-07T16:32:19+08:007月 9th, 2020|文章|

在历史上，每一轮科技革命都从三个层面驱动着科技和社会发展。第一是新的理论与关键技术层出不穷，第二是国际和行业标准实现井喷，第三是新技术和标准的产业化，并驱使产业升级。当前这一轮5G通信技术革命和智物联网革命（人工智能和物联网、车联网），将实现万物数据化、万物互联化，并将大幅改进工业生产效率和人类的生活质量。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。目前我国的5G已经全面开始了商用，独立组网模式的核心网的建设和集采已经在全国各省市如火如荼的开展。与此同时，随着5G用户逐渐增长到三千万以上，5G终端的同步铺开是5G技术发展的良好保障和必然趋势。目前5G的商用进程呈现着基站与终端并发的良好态势。根据权威机构预测，随着5G的蓬勃发展，未来十年的数据业务将以每年约2倍的速率增长。因此，为了支持高速率和海量设备通信并发，必须要采用更复杂的信道编码和更高阶数的MIMO（多输入多输出）系统，同时就迫切 需要天线（阵）技术的飞速发展。在基站侧，4G时代常采用的8T8R或32+8模式，一般只有最多几十个双极化天线单元，而在5G时代，基站天线单元的数目激增至128,192个，如图1(a)与(b)所示。从最新的国际电联2019大会（WRC-19）可以看到，在新提出的Sub-10GHz频段（主要为WRC-19提出的6425-7025MHz，7025-7125MHz以及10000-10500MHz频段）上，业界已经开始研究1024乃至更多的天线单元。 5G的毫米波频段，最多已经有上万个天线单元的方案提出。在终端侧，华为最新发布的5G手机，已经有21根天线，其中5G天线已经有十四根。而4G时代的手机终端，天线数目从来没有达到两位数。 天线数目的激增，结合实际应用场景中天线有限的物理空间，就造成了一个进退两难的困境，一方面天线数目及其工作频段增多已成必然，另一方面安装天线的物理口径不增反降。这就使得天线本身的设计尺寸受到压缩，天线之间的间距和耦合受到挑战。同时还要考虑到具体天线载体的形态和对天线的要求逐渐演进， 以及新加入的5G各频段与原始2/3/4G频段和Wi-Fi等频段的共存等问题。具体来说： (1) 在基站侧，特别是5G基站天线与4G基站天线共站是，可以明显的从图2看到，5G的基站天线宽度普遍大于4G天线，造成其迎风面普遍较大，风阻系数较高，由于铁塔和抱杆对于风阻系数有着严格的要求，因此，对于5G各频段的基站天线，需要解决以下挑战： 图2(a)：4G和5G基站共站方案下的4G和5G基站天线 图2(b)：5G不同频段的基站天线 图2(c)：5G基站天线需要通过阵元间距的缩减实现整个阵面的缩减 多频多天线共口径：具体来说，实现690-960MHz，1710-2700MHz，3300-5000MHz乃至新的Sub-10GHz频段的多天线共口径。 紧凑阵列设计，实现宽度大幅度缩减,以便缩小整个基站天线的阵面和风阻系数以及天线的体积和重量，如图2(c)：具体来说，这包括天线单元本身的小型化设计和各天线单元之间的去耦合/隔离设计。 新体制天线技术：针对未来B5G乃至6G技术的演进，采用新的工作体制，解决现有天线存在的口径和数目的制约以及空间路径的损耗问题 (2) 在终端侧，针对金属边框，折叠屏，以及5G各种频段的应用，天线需要应对以下挑战： 在更为极致环境和形态下，实现手机天线，例如“负净空”天线、金属边框天线以及全面屏天线设计； 折叠屏手机的天线设计问题，在各种折叠状态下保持天线的性能以及考虑人手握持后的天线性能保持； 多个5G MIMO天线的去耦合设计以及5G新频段与现有3/4G频段的共存问题（Co-existence），如图3所示： 新的终端形态比如眼镜、自动驾驶汽车对天线提出新的要求和挑战。这类设备对天线的要求与手机的要求截然不同。 (3) 从信道与传播角度，天线数目和频段的演进，同样也带来了新的挑战： 新频段Sub-10GHz以及毫米波的传播特性与4G频段有着截然不同的特性，直接影响着天线的形态和性能； 天线形态的改变，例如超大规模的Massive MIMO，以及新体制的天线形态，具有新的传播特点和信道分布，并最终影响系统的吞吐率、可靠性和时延； 终端天线需要考虑信道分布，人体影响，在合适的场景下具有特定的性能，以满足不同应用场景的需求； 实际上，对于海量的万物互联，也会存在有限空间内多设备多天线并发的互相干扰问题。一辆汽车上目前已经集成安装了四十几根天线，将来随着车联网应用的进一步普及，汽车这种新型终端同样也会遇到多天线的挑战。 在相关的军事应用上，同样也存在着多天线耦合干扰的问题，比如由于耦合造成的紧耦合宽带阵列的有源驻波，随着扫描角波动严重；相控阵由于天线间耦合造成的波束扫描角度受限甚至造成扫描盲区；综合射频桅杆上多种功能天线之间的电磁耦合造成的电磁兼容等等问题。 由此可见，在各类应用场景和各种载体之上，多天线系统的应用遇到了一些共性的挑战，尤其是解决多天线之间的集成设计以及多天线之间的耦合。要解决此类问题就需要多天线之间的耦合机理得到深入的研究和理解，需要对症下药，针对各种不同类型的耦合提出合适的解决方案。 在下篇的文章中，我们将针对不同的挑战提出相应的解决方案。

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