余浩教授课题组在6G通信系统集成方向取得重要进展

2020-12-14 科研聚焦 浏览量：23715

近日，深港微电子学院、未来通信集成电路教育部工程研究中心余浩教授课题组在第六代（6G）通信系统集成方向取得重要进展，提出两款应用于D波段（110—170 GHz）短距离无线通信的单层板上集成天线方案。论文成果 “Wideband and High-gain D-band Antennas for Next-generation Short Distance Wireless Communication Chips”发表在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊上（IEEE TAP）。IEEE TAP是天线与电波传播及应用电磁领域的国际顶级期刊（2020中科院一区）。

随着全球首份第六代通信白皮书的发布，标志着第六代通信的研究已经在路上。从第六代通信白皮书以及各国提出的方案来看，都把太赫兹波段作为了突破口。由于工作在110—170 GHz，波长较短，以往太赫兹天线集成方法往往成本高昂，且一次性成型难以扩展。针对上述未来第六代通信应用背景及产品化需求，研究者在该论文中提出的基于3D打印天线和PCB板上集成140 GHz天线的方案。此方案可以显著降低成本，同时可以按需求安装不同的辐射器以满足不同的增益要求，提高了灵活性和扩展性。

在第一种集成喇叭天线方案中，研究者首先在单层印刷电路板（PCB）上设计了一个基片集成波导（SIW）宽带转换结构，将芯片输出信号转换到一个具有WR-06矩形波导接口的3D打印金属喇叭天线中实现辐射。其中，宽带转换结构是重点之一，它将SIW平面电路内的信号转换到立体矩形波导中，因而理论上只要是WR-06矩形波导接口的辐射器都可以和该转换器匹配，提高了设计灵活性。集成喇叭天线可实现18.9%（129.5—156.5 GHz）的阻抗带宽和15.66 dBi的峰值增益。

图1 两种6G天线结构示意图：（a）集成喇叭天线；（b）贴片天线。

在第二种集成贴片天线方案中，考虑到系统低剖面高度的需求，研究者将芯片输出信号经由基片集成波导（SIW）传输到终端贴片辐射器，经过调整SIW过孔位置对天线实现调谐，产生宽带响应，避免了使用复杂的多模谐振器给PCB加工带来困难。该设计既可作为单一天线工作，也可以作为透镜天线或透射阵天线的馈源，同样具有较好的灵活性。贴片天线可实现20.8%（125.3—154.4 GHz）和7.27 dBi的峰值增益。

图2 两种6G天线的PCB板设计及集成 

在实际应用中，集成喇叭天线设计了一个UG-387标准法兰盘，便于用螺丝固定在PCB板上。同样地，测试板上也设计了对应的UG-387标准法兰盘安装孔，可以安装任何具有WR-06矩形波导接口的器件。如有需要时也可使用粘接剂或焊接方式将天线固定在PCB板上。余浩教授课题组的该研究工作将促进太赫兹频段的第六代无线通信，实现板上集成天线的技术，并推动其产业化的进程。

相关论文：

C. Ma, S. Ma, L. Dai, Q. Zhang, H. Wang and H. Yu*,”Wideband and High-gain D-band Antennas for Next-generation Short Distance Wireless Communication Chips”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2020.(DOI:10.1109/TAP.2020.3044365)