FITEE 2019-2020专题速递 | 后5G与6G天线系统技术演进与创新（2020，No. 1，段宝岩院士）
【社论】
后5G与6G天线系统技术演进与创新
段宝岩
西安电子科技大学机电科技研究所，中国西安市，710071
概要：近年来，随着第五代（5G）无线通信系统发展，5G网络建设和终端设备已逐步定型并步入商用阶段。同时，第六代（6G）移动通信系统已成为备受学术界和工业界瞩目的重要领域，前景广阔。与5G相比，6G可实现更快的接入速率（10～100倍以上）、更低的接入延迟、更广泛深入的通信覆盖以及更优的能量和频谱效率，使得天线和射频（RF）系统的材料、工艺、技术及形式不断演进。现阶段天线和射频系统有如下几个重要发展趋势：（1）向高频段发展：毫米波在5G移动通信系统中不可或缺。作为6G潜在发展方向之一，星联网（IoS）为实现全时空覆盖，需要Ka与其它频段的多种天线系统的支撑。近年来，太赫兹（THz）技术愈加引起学术界和工业界的广泛关注，是国际公认的前沿技术之一。（2）新材料、超材料应用：新材料和超材料所具有的超然特性，使天线更趋小型化，不易受干扰，性能也更优异，这是因新材料与超材料突破了传统材料难以逾越的天线理论和工程障碍。（3）信道特性的演进：拥有新架构或新频带的天线——如三维多输入多输出（MIMO）天线阵列和毫米波/THz天线——将带来新的传波信道特性。为此，天线设计者和工程师需研究不同场景与应用中不同传输信道特性天线的性能。（4）测量技术的变革：在5G时代，传统测量策略与方法、测试指标甚至概念可能不再适用于新的5G空口技术（OTA）。全新的测量方法和测试指标正在迅速定型且有望成为国际标准。因此，当下全面规划5G和6G天线测量技术至关重要。可见，未来移动通信中的天线系统正面临前所未有的诸多挑战，天线系统性能的提高无疑将为提升无线通信系统的整体性能插上翅膀。
在此背景下，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》（FITEE）特组织并刊发了“后5G与6G天线系统技术演进与创新”专刊。该专刊涵盖天线、无源和有源器件及系统、传播和信道以及材料和算法等方面，频率涵盖6 GHz乃至太赫兹。专刊旨在回顾天线相关技术发展现状，明确未来发展趋势。经过严格评审，最终筛选出13篇文章，其中包括7篇综述、4篇研究论文以及2篇通讯。
……
本期专刊涵盖未来移动通信系统有关天线的多个主题，包括天线、天线阵列、超材料和新材料在天线系统中的应用、无源和有源网络与收发机、电波传播和信道建模以及大规模MIMO优化算法，我们期望该专刊对无线通信、天线设计及相关领域的发展有所裨益。
最后，衷心感谢各位作者、审稿人、编辑等为本期专刊出版做出的贡献，感谢中国天线系统产业联盟李永波、何爱芬，感谢刘英、张建华、胡伟东、编辑部，感谢主编潘云鹤院士、卢锡城院士。
全文翻译：后5G与6G天线系统技术演进与创新
引用格式：
Bao-yan Duan, 2020. Evolution and innovation of antenna systems for beyond 5G and 6G. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):1-3. https://doi.org/10.1631/FITEE.2010000
【综述】
电磁超材料：从新物理现象到新信息系统
吴瑞元1,2，崔铁军1,2
1. 东南大学毫米波国家重点实验室，中国南京市，210096
2. 东南大学无线通信技术协同创新中心，中国南京市，210096
摘要：由于对电磁波强大的调控能力，超材料和超表面吸引了越来越多研究者的关注。本文回顾总结近年来电磁超材料的发展，从最初的新物理现象到现在的新信息系统。首先展示等效媒质超材料的定义和应用，包括隐身衣和超材料透镜等。随后介绍二维超材料，即电磁超表面，对空间波和表面波的调控功能，同时概述表面等离子激元及其在微波段的应用。在此基础上，着重介绍新颖的数字编码超材料和可编程超材料，统称信息超材料。通过将理论层的信息科学与物理层的超材料设计联系在一起，实现一系列新型器件和系统，同时实现信息和电磁波调控。最后，对超材料的未来发展做出展望。
关键词：超材料；等效媒质理论；超表面；表面等离子激元；数字编码；可编程；信息
概要PPT：东南大学崔铁军等 | 电磁超材料：从新物理现象到新信息系统
引用格式：
Rui-yuan Wu, Tie-jun Cui, 2020. Microwave metamaterials: from exotic physics to novel information systems. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):4-26.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900465
【综述】
基于色散可调超构表面的宽带低剖面天线研究综述
刘炜1，陈志宁1，卿显明21. 新加坡国立大学电气与计算机工程系，新加坡，117583 2. 新加坡资讯通信研究所，新加坡，138632
摘要：超构表面支持传播导波和表面波，并表现出新颖的色散特性。通过调控其独特的色散特性、设置特殊的边界条件以及选用合适的激励机制，低剖面的超构表面天线也能激励起多个邻近的谐振模式以实现宽带定向辐射。本文首先介绍3类典型宽带低剖面色散可调超构表面天线及其工作原理，接着详细综述色散可调超构表面天线技术的研究进展，重点讨论小型化、圆极化、波束扫描等应用设计。这种新近发展的色散可调超构表面技术，不仅能为宽带低剖面天线设计提供解决方案，更显示其在新型天线技术研发中的巨大潜力。
关键词：超构表面天线；色散调控；复合左右手色散特性；导波；表面波；宽带；低剖面
Wei E. I. Liu, Zhi Ning Chen, Xianming Qing, 2020. Dispersion-engineered wideband low-profile metasurface antennas. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):27-38. https://doi.org/10.1631/FITEE.1900473
【综述】
面向6G的信道测量与建模：现状与展望
摘要：随着5G在全球范围内商业化进程的推进，为满足未来更高速率、更低延迟和新业务的需求，面向6G的研究已经启动。无线信道是收发两端信息传输的通道，无线信道的特性决定了无线通信系统的性能限。因此，关于信道的研究是6G无线通信系统研发的基础性研究。本文首先介绍了6G可能出现的技术和应用，包括太赫兹通信、工业互联网、空天地一体化网络和机器学习，并指出6G信道模型面临更高频率、更大带宽和超大规模天线阵列、多样化场景进一步扩展的挑战。其次，针对这些技术和应用，综述了目前太赫兹信道、工业互联网信道、空天地信道的测量与建模，以及基于机器学习和三维环境重构的智能化建模4个方面的研究进展。最后，面向未来，展望了上述4个方面有待深入研究的问题。
关键词：信道测量；信道建模；6G；太赫兹；工业互联网；空天地一体化网络；机器学习概要PPT：北京邮电大学张建华等 | 面向6G的信道测量与建模：现状与展望
引用格式：
Jian-hua Zhang, Pan Tang, Li Yu, Tao Jiang, Lei Tian, 2020. Channel measurements and models for 6G: current status and future outlook. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):39-61. https://doi.org/10.1631/FITEE.1900450
【综述】
5G应用下的MIMO阵列天线去耦方法综述
2. 南特大学综合理工学院电子与数字技术系，法国南特，44306
摘要：多输入多输出（MIMO）技术是未来通信的关键技术，它可以有效增加信道容量。对于未来的第五代（5G）终端，在紧凑的尺寸内实现理想隔离度仍具有挑战性。为取得可接受的隔离度，众多学者已开发许多去耦方法。本文回顾有关去耦方法的最新研究，包括增加去耦结构、使用正交模式和减小地板影响，并讨论5G智能手机中MIMO阵列天线的发展趋势。 关键词：MIMO阵列；5G手机；去耦方法概要PPT：西安电子科技大学刘英等 | 5G应用下的MIMO阵列天线去耦方法综述
引用格式：
Xiao-xi Zhang, Ai-di Ren, Ying Liu, 2020. Decoupling methods of MIMO antenna arrays for 5G applications: a review. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):62-71.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900466
【综述】
面向大规模MIMO系统的高效功率放大器及其线性化技术综述
摘要：为适应数据传输速率的爆炸性增长以及大规模多输入多输出（mMIMO）技术的应用，业界开发了高效率功率放大器(PA)和相关线性化技术。本文根据5G系统的两个核心频段——sub-6 GHz和毫米波（mm-Wave）——的特点，对高效率集成化的Doherty功放单片微波集成电路（MMIC）和线性化技术进行了综述，比较和分析了不同半导体工艺和架构下的高效功放设计思路。由于5G协议尚在演进过程中，大规模MIMO系统中的功放规范仍在考虑中，有必要研究新的设计方法以进一步提高其效率和线性性能。此外，数字预失真线性化技术需要发展，以适应大规模MIMO系统，并且需要一些创新的线性增强技术来同时提高补偿精度和降低功耗。
关键词：高效节能；线性化；大规模多输入多输出（mMIMO）；单片微波集成电路（MMIC）；功率放大器
概要PPT：清华大学陈文华等 | 面向大规模MIMO系统的高效功率放大器及其线性化技术综述
引用格式：Xin Liu, Guan-sheng Lv, De-han Wang, Wen-hua Chen, Fadhel M. Ghannouchi, 2020. Energy-efficient power amplifiers and linearization techniques for massive MIMO transmitters: a review. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):72-96.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900467
【综述】
基于变压器CMOS超宽带毫米波电路分析与设计综述
余益明，康凯
电子科技大学电子科学与工程学院，中国成都市，611731
摘要：近年来，由于大量毫米波无线应用的产生，具有更强通用性的宽带毫米波电路和系统引起广泛关注。总结了4种基于片上变压器结构超宽带毫米波电路的理论分析、设计方法和综合性能。其一为毫米波低噪声放大器，采用基于变压器的跨导增强和极点调谐技术；通过采用这两种技术，该电路同时实现了较大工作带宽、低噪声系数和良好功率增益。其二为毫米波注入锁定三倍频器，采用注入电流增强技术，有效拓展了倍频器的锁定带宽。进一步，采用类似注入锁定技术结合变压器高阶谐振腔方案，实现了一款超宽带毫米波注入锁定分频器。最后，介绍了一款E波段上混频器，其采用两路跨导并联结构和基于变压器的多极点负载，实现了优异线性度和较大工作带宽。
关键词：硅基集成电路；毫米波；超宽带；变压器；低噪声放大器；倍频器；分频器；混频器
引用格式：
Yi-Ming Yu, Kai Kang, 2020. Analysis and design of transformer-based CMOS ultra-wideband millimeter-wave circuits for wireless applications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):97-115.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900491
【综述】
滤波天线：从创新概念到工业应用
曹云飞，张垚，章秀银
华南理工大学电子与信息学院，中国广州市，510641
关键词：滤波天线；双频；天线阵列
概要PPT：华南理工大学章秀银等 | 滤波天线：从创新概念到工业应用
引用格式：
Yun-fei Cao, Yao Zhang, Xiu-yin Zhang, 2020. Filtering antennas: from innovative concepts to industrial applications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):116-127.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900474
【研究】
适用于60 GHz应用的新型宽带高效毫米波天线阵列分析和设计
邬开来1，姚远1，程潇鹤1，俞俊生1，于韬2，陈晓东31. 北京邮电大学电子工程学院安全生产智能监控北京市重点实验室，中国北京市，100876 2. 东京工业大学电气与电子工程系，日本东京市，152-85523. 伦敦大学玛丽女王学院电子工程与计算机科学学院，英国伦敦市，E1 4NS
摘要：提出一种适用于60 GHz应用且具有灵活设计的毫米波天线阵列。通过简单地改变天线阵列的辐射部分，可将天线阵列调整为线极化或圆极化。通过采用低插入损耗馈电网络和宽带天线单元，可实现高增益、宽带和高辐射效率特性。对于线性极化天线阵列，仿真结果表明，2×2天线子阵列的阻抗带宽达到21.6%，最大增益达到15.1 dBi，并且在工作带宽内波动小于0.4 dBi。对于8×8线极化天线阵列，仿真结果显示带宽为21.6%，增益为（26.1±1）dBi，天线效率超过80%。对于8×8圆极化天线阵列，仿真结果表明，阻抗带宽为18.2%，轴比（AR）带宽为13.3%。增益和效率分别达到27.6 dBi和80%。同时进行了天线阵列实物加工测试，并比较和分析结果。
关键词：60 GHz；天线阵列；线极化；圆极化；毫米波
概要PPT：北京邮电大学姚远等 | 适用于60 GHz应用的新型宽带高效毫米波天线阵列分析和设计
引用格式：
Kai-lai Wu, Yuan Yao, Xiao-he Cheng, Jun-sheng Yu, Tao Yu, Xiao-dong Chen, 2020. Analysis and design of novel wideband and high efficiency millimeter-wave antenna arrays for 60-GHz applications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):128-143.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900461
【研究】
微型罗特曼透镜在无线通信中的应用
孙保华，梁秋艳，周高楠
西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，中国西安市，710071
摘要：罗特曼透镜是一种具有实时延迟特性、多波束性能和宽带等优点的波束成形网络，在当今无线通信系统中得到广泛应用。然而，在无线通信系统中，传统罗特曼透镜尺寸相当大，可能会影响其与基站天线的集成。介绍3种微型化罗特曼透镜技术（切比雪夫阻抗变换器、功率分配器和带能量分配槽的截断端口）设计透镜，减小端口尺寸，从而减小罗特曼透镜所占总面积。仿真和测量结果表明，该方法可实现透镜主体与馈线之间良好的阻抗匹配。利用该带能量分配槽的截断端口，可大大减小罗特曼透镜尺寸，同时不降低透镜性能或增加生产成本。此外，研究了该微型罗特曼透镜在无线通信系统中两种可能的应用。罗特曼透镜不仅可沿阵列端口提供多个相位差信号实现多波束，还可生成平顶辐射等高性能成形波束。
关键词：罗特曼透镜；微型化；多波束；波束形成器；无线通信引用格式：
Bao-hua Sun, Qiu-yan Liang, Gao-nan Zhou, 2020. Miniaturized Rotman lens with applications to wireless communication. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):144-158.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900501
【研究】
卫星通信大型双极化中国版图赋形微带反射阵天线的优化设计
赵钢，焦永昌，陈官韬
西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，中国西安市，710071
摘要：设计了一款具有中国版图赋形的大型双频双极化微带反射阵天线。为充分补偿两个频段范围内的空间相位延迟差，采用一种适用于大型双极化反射阵的3层矩形贴片单元。由于赋形区域形状复杂、赋形增益要求很高，该反射阵天线单元数量超过25 000个，优化变量数超过150 000个，导致其设计非常困难。本文首先通过离散快速傅里叶变换及其逆变换建立口径场和远场的一一对应关系，为赋形反射阵天线的优化奠定基础。进而采用基于交替投影的交集方法，优化获得多个典型频率下所有单元的目标反射相位。为避免优化过程陷入局部极值点，采用一种产生合适初始解的新方法。为验证设计方法的有效性，制作了一个7569单元的双极化反射阵天线并进行实验测试。测试与仿真结果吻合良好。为使宽带工作的大型反射阵天线带宽范围的空间相位延迟极小化，提出一种确定馈源最佳位置的方法。为在两个相互正交方向上同时找到单元的最优尺寸，建立一种新的优化模型，通过正多面体优化方法进行优化计算。最后，设计了一款覆盖中国陆地版图的单元数为25 305的双频双极化微带反射阵天线。仿真结果表明，该反射阵天线在两个工作频带范围内均可满足中国版图覆盖要求，证明所提出的复杂赋形波束大型反射阵天线优化设计方法可靠和有效。 关键词：反射阵；双极化；赋形波束；限相位综合
概要PPT：西安电子科技大学焦永昌等 | 卫星通信大型双极化中国版图赋形微带反射阵天线的优化设计
Gang Zhao, Yong-chang Jiao, Guan-tao Chen, 2020. Optimal design of a large dual-polarization microstrip reflectarray with China-coverage patterns for satellite communications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):159-173.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900496【研究】
基于玻璃集成无源器件工艺的60-GHz小型化宽带超表面天线
概要PPT：东南大学李连鸣等 | 基于玻璃集成无源器件工艺的60-GHz小型化宽带超表面天线
引用格式：
Hai-yang Xia, Jin-can Hu, Tao Zhang, Lian-ming Li, Fu-chun Zheng, 2020. Integrated 60-GHz miniaturized wideband metasurface antenna in a GIPD process. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):174-181.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900453
【通讯】
应用于5G/WLAN频段的MIMO手持天线
摘要：提出一种用于便携式终端的多输入多输出（MIMO）天线。手持终端天线的工作频带为5G（3.4-3.8 GHz）和WLAN（5.150-5.925 GHz）。5G和WLAN频段的天线单元交错放置，尽量保证同频单元间距离较远，以减少天线元件间的耦合。所有天线元件回波损耗均大于6 dB。所有元件间隔离度大于14 dB。高频天线辐射效率大于50%，低频天线辐射效率大于40%。所有元件远场增益大于2.2 dBi。
关键词：第五代通信系统（5G）；手持天线；MIMO天线；去耦技术概要PPT：南京邮电大学程勇等 | 应用于5G/WLAN频段的MIMO手持天线
Yong Cheng, Jing Lu, Bing-qing Sheng, 2020. MIMO handset antenna for 5G/WLAN applications. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):182-187.
https://doi.org/10.1631/FITEE.1900478
【通讯】
5G演进推动天线系统创新
高峰1，高鹏1，朱文涛1，张晨曦1，孟宪坤1，单润红2
1. 中国移动通信集团设计院有限公司，中国北京市，100080
2. 中国版权保护中心，中国北京市，100050
摘要：介绍第一代（1G）到第五代（5G）移动通信系统及其天线系统的基本概念、背景和发展历程。阐明5G组网和天线系统优化要求，并介绍三维阵列天线基本原理。提出大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列权值优化方法，并进行仿真验证。最后，提出解决5G天线系统功耗问题的几点建议。 关键词：第五代通信系统（5G）；大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列；功耗；权值优化概要PPT：中国移动通信集团设计院高峰等 | 5G演进推动天线系统创新
Feng Gao, Peng Gao, Wen-tao Zhu, Chen-xi Zhang, Xian-kun Meng, Run-hong Shan, 2020. 5G evolution promoting innovation of antenna systems. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 21(1):188-194. https://doi.org/10.1631/FITEE.1900561
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段宝岩（专刊主编），中国工程院院士，分别于1981、1984与1989年获西安电子科技大学工学学士、硕士与博士学位。1991~1994年英国利物浦大学博士后，2000年美国康乃尔大学高访。现为西安电子科技大学教授，全国天线产业联盟主席，中国电子机械工程学会理事长，Electromech Eng China主编，Chin J Electron副主编，Engineering学科主编以及其它10多种学术期刊编委。是IET会士、中国电子学会会士。
他长期从事电子机械工程的教学与科研工作，致力于电子装备机电耦合理论、方法与技术研究，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。系统地建立了电子装备电磁场、结构位移场、温度场之间的场耦合理论模型，揭示了机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法。上述成果被成功应用于探月、神舟飞船、主力战舰、FAST500m口径球面射电望远镜等国家重大工程中。
发表论文200余篇，国际会议邀请报告10余次，著书6部，授权发明专利40余项。以第一完成人获国家科技进步二等奖3项，入选2009年度科学中国人，获2012年何梁何利科技成果奖，2017年中科院杰出科技成就奖与中国好设计金奖，2018年亚洲结构与多学科优化终身成就奖。
专刊编辑
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电力电子学术群 | 人工智能学术 |
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