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毫米波及通信技术

根据全球移动通信的调查和预测,用户对蜂窝网数据量的需求,以每年40%-70%的速率在增长,预计10年之后的蜂窝网,需要达到相当于现在蜂窝网1000倍的通信容量。现有的频率复用等技术难以承载高速大容量的数据传输应用,迫切需要开发新频谱技术。在28GHz38GHz72GHz等频段的毫米波传播大气窗口,有利于毫米波频段蜂窝通信开发与应用。2013年底,欧盟委员会启动了耗资18亿美元的5G通信系统研究工作,其中包括了毫米波蜂窝网计划。同时,中国政府也启动了国家863计划第五代移动通信系统研究开发项目,预计在2020年之前,系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术。期望的目标是实现支持业务总速率10Gbps,将目前4G系统的频谱、功率效率提升10倍,满足10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。英特尔、InterDigitalBlu Wireless、韩国三星、韩国SK等公司,也纷纷宣布进入毫米波移动通信领域的研究,开发毫米波频段的小型化蜂窝基站技术和毫米波移动通信的接入技术。美国纽约大学等研究机构自2012年开始研究毫米波蜂窝通信的可行性。国内在该领域的研究刚刚起步,相关研究未见报道,因此,迫切需要发展毫米波通信系统的技术研究。

从当前应用需求与技术发展两方面来看,毫米波蜂窝通信网具有小区密集、分布式收发、基站小型化和单位区域面积射频设备数量大等特点。这一特点需要高性能与高可靠性的毫米波全集成射频系统集成技术作为支撑。因此,毫米波基片集成技术是实现毫米波蜂窝通信所必需的核心技术之一。同时,硅基CMOS集成电路在集成度、功能、成熟度和成本方面占有较大优势,已从小规模、大规模、超大规模发展到现在的片上系统( SoC )。随着摩尔定律的发展,工艺尺寸的降低大幅度提高了CMOS晶体管截止频率。因此纳米级CMOS射频集成电路的工作频率已可以提高至毫米波亚毫米波段,实现集成度、功能和成本等方面的突破,从而对高速移动通信、卫星通信、单片雷达、成像等毫米波应用领域产生深远的影响。另外,考虑到整个通信网络构成的多样性、新旧系统的兼容性以及通信环境的复杂性,毫米波射频系统有多样性与高性能的需求。毫米波系统的优势在于天线的高定向带来的高增益,需要研究波束赋形阵列天线,通过波束赋形的定向增益补偿毫米波传播的路径损耗,基于CMOS芯片技术实现相控阵天线系统,同时需要研究基于天线辐射特征的信道估计算法。毫米波的波长短,更有利于采用空间复用技术和多天线技术,需要研究毫米波宽带高维阵列多天线系统。毫米波蜂窝网络的构架区别于传统蜂窝网,需要研究异构毫米波蜂窝网的网络方案,以及快速小区切换与路径切换的关键技术,提高毫米波蜂窝网的可靠覆盖范围;研究定向中继和动态双工技术,提高毫米波蜂窝网的鲁棒性;研究由于依赖高度定向的传播而带来的毫米波系统的同步问题与信道跟踪问题;研究基于时分双工的频分多址技术;研究由于高频信号多普勒扩展较大扩展带来的信号追踪问题。

 

本实验室在毫米波及通信技术方向的研究主要分为三个子方向:微波与毫米波电路的集成技术、毫米波天线技术、毫米波蜂窝移动通信技术。

 

1)微波与毫米波电路的集成技术

集成指的是将整个功能电路甚至整个射频、毫米波系统实现高度集成,以及采用集成仿真与优化工具,实现高性能的电路元器件的分析与设计。基片集成电路的概念是吴柯院士提出的平面与非平面波导集成化技术,能有效地实现系统的无缝集成,具有低成本、高性能、高集成度的优势,该项技术一直是国际研究热点。本实验室在这方面开展了大量的工作,取得了丰硕的研究成果,已将该技术扩展应用于通信和雷达系统上,目前,已开始研究将该技术应用在CMOS毫米波芯片设计上。因而,本实验室拟定的研究课题之一是微波与毫米波电路的集成技术。

在微波与毫米波电路的集成技术方向上,以基片集成波导(SIW)和基片集成非辐射介质波导(SINRD)为核心,对基片集成电路(SIC)展开研究,设计一系列的无源和有源电路和器件,以及射频系统电路的集成。研究基于E型场集成和H型场集成的融合技术,从而设计出性能更优良、结构更紧凑的微波与毫米波集成电路。凭借这两种技术的融合,甚至可以设计出以前单一技术无法完成的新型电路。在此基础之上,向系统级设计扩展,预计将实现国内首个面向毫米波移动通信的基片集成电路系统。在这一领域的主要工作首先是根据要使金属损耗最小的要求,重点研究工作主模的电磁场分布,研究最靠近工作主模的高次模情况,从而获知相关的可应用的工作频带宽度。在主模工作时,要研究侧向电磁能量泄漏和上下方的能量泄漏,尤其是后者,研究怎样才能将其减小到可忽略的水平。其次要对空气过孔的方案进行优化设计,该过孔方案要能满足双侧方向和上下方的抑制漏波的要求。实际上,这两部分(中心介质条带和过孔方案研究)要综合在一起作定性分析和定量研究,其开发内容不少于经典的非辐射介质波导的研究与开发。其理论上的科学价值等同于重新提出一种新的波导结构。在分析其导波特性,提取周期传播常数、衰减常数和带阻特征时,本实验室团队提出了全新的数学模型--等效谐振腔模型,该模型已得到国际学术界普遍认可。

本实验室成员提出的平面与非平面波导集成化技术,在IEEE微波杂志评选的最有应用前景的10大发明中名列首位。本实验室成员发表在该领域国际顶级刊物上的一系列文章,揭示了基片集成电路的作用机理,奠定了基片集成电路的理论基础。此外本实验室率先提出的基片集成非辐射介质波导技术,可以在普通的印刷电路板上直接制作非辐射介质波导,从而具有金属损耗小,制作工艺简单等优点。本实验室团队在这些方面已经取得的突破性进展,在本领域权威刊物IEEE 会刊等发表了上百篇论文,同行引用上千次。

2)毫米波天线技术

在毫米波及通信技术的研究与应用中,需要设计高效率的无线传输系统。在无线信息传输方面,高效指的是高频谱效率与高能源利用率;在无线能量传输方面,则指能量传输的高效率。高频谱利用率有利于信息传输的质量,并且与能源利用率相关。开发高效率的信号传输天线与能量传输天线,可以促进无线通信网络设备与系统的小型化、多功能化、高性能化,有利于根据各种应用需求,开发出相应的系统与设备,促进信息采集、信息传输和信息处理的及时性与覆盖面,能够通过信息的及时处理、高速传输和充分应用,产生巨大的经济与社会效益。

本实验室已经研究了多种满足当前新技术、新系统与新应用要求的高性能、宽频带的小型化天线、超宽带天线、可重构天线、多天线阵列、多极化天线、透镜天线等。随着近年来高速小型化系统的飞速发展,电子系统与器件的物理尺寸越来越小,毫米波、太赫兹频段的天线遇到了挑战性的工作,传统金属在小尺寸条件下会遇到严重的尺度效应问题,金属线尺寸与其电子平均自由程相当时,会引起电阻率急剧增加,并且在太赫兹工作频率下,电阻还会由于趋肤效应的影响而进一步增大,导致器件性能的急剧退化。在这样的情况下,碳纳米材料的使用成为了一种很好的潜在解决方案。本实验室的下一步研究工作,将重点研究碳纳米管与石墨烯材质的天线辐射机理与应用设计。天线的研究是本实验室学术团队多年来长期研究的领域,在该技术领域取得了一些处于国内领先地位并具有国际先进水平的成果,在国内外均产生了一定的影响。如在天线的小型化设计技术上,本实验室课题组提出的采用分形技术来减小超宽带天线尺寸的设计技术如今已获得了广泛的应用,介绍该成果的论文之一发表在IEEE权威刊物,迄今被引用的次数已超过了200次。目前已有三十余项微波与毫米波天线技术的研究成果分别发表在IEEEIET等国际知名刊物上。

3)毫米波蜂窝移动通信技术

在无线通信领域,为满足移动通信对数据速率高速增长的需求,需要寻求能够获得更大信道容量和频谱利用率的通信技术。由于通常信道容量正比于频带宽度,而毫米波频段拥有更宽的频谱,因而,毫米波技术将是无线通信领域的重要发展方向。射频前端与收发天线是无线通信系统的一个重要组成部分,国际上在民用通信、军用通信领域的发展非常迅速,很多高频射频芯片与模块均对中国禁运,开展该射频技术的研究工作对于改变我国较为落后的射频电路产业现状有着重要的现实意义和广泛的应用前景。因而,本实验室拟定的研究课题之一是毫米波蜂窝移动通信技术。

在毫米波蜂窝移动通信技术方向,由吴柯院士领衔的实验室团队,重点面向未来移动通信,致力于在毫米波蜂窝通信领域展开研究。这其中包括毫米波蜂窝通信中的电波传播模型与信道建模、毫米波蜂窝通信中的集成电路、毫米波智能天线系统以及毫米波蜂窝网络设计。

全面掌握传输和信道特性是新一代移动通信发展的基础工作,毫米波移动通信中蜂窝系统的架构和通信链路的设计,依赖于对毫米波传播特性和信道特性的认知。通过大规模测量结合射线追踪仿真,对影响毫米波传输特性和信道特性的各种因素进行研究,解析这些因素与传输和信道特性的关系,建立起相应的传播模型和信道模型,给出毫米波蜂窝系统的可行性分析,确定不同环境下蜂窝网的规划方案及小区尺寸、中断概率、物理层的链路指标。毫米波蜂窝网络的构架区别于传统蜂窝网,需要研究异构毫米波蜂窝网的网络方案,以及快速小区切换与路径切换的关键技术,来提高毫米波蜂窝网的可靠覆盖范围;研究定向中继和动态双工技术,提高毫米波蜂窝网的鲁棒性;研究由于依赖高度定向的传播而带来的毫米波系统的同步问题与信道跟踪问题。研究基于时分双工的频分多址技术;研究由于高频信号多普勒扩展较大扩展带来的信号追踪问题。

国际上对毫米波蜂窝通信技术的大规模研究始于2012年,英特尔公司是5G毫米波技术研究的有力推动者。美国纽约大学等研究机构研究了毫米波蜂窝通信的可行性。欧盟、InterDigitalBlu Wireless、韩国三星、韩国SK等公司,也在近期给出了5G毫米波通信的相关技术报告与初步成果演示。国内在该领域的研究刚刚起步,相关研究未见报道。本实验室核心成员领导的毫米波实验团队,在该领域已经率先展开了基础性研究。南京邮电大学的通信工程是江苏省优势学科,本实验室团队在电波传播与信道模型、基片集成电路、网络算法等领域研究中已经完成了国家级、省部级科研项目20余项。