通信技术的演进本质上是频域、时域、空域、码域多维资源持续开发与融合的过程。第四代移动通信（4G）引入了MIMO技术，5G发展至大规模MIMO并*次将工作频段拓展至毫米波。面向6G时代100Gbit/s+的超高速率需求，技术演进将呈现双轨突破：在频率维度向毫米波甚至太赫兹频段延伸，突破传统Sub-6GHz的频谱资源瓶颈；在空域维度采用大规模有源一体化阵列，通过同时生成几十乃至数百个波束实现超大规模空间复用。因此，毫米波与太赫兹大规模阵列技术将成为未来无线通信系统的核心使能技术。《毫米波与太赫兹大规模阵列技术》主要介绍毫米波与太赫兹大规模阵列技术的基本原理和典型应用，分为上、下册，上册介绍无源波束成形阵列技术，主要内容包括天线的基本原理和基于无源波束成形网络，如巴特勒矩阵、诺兰矩阵、布拉斯矩阵、多模矩阵、罗特曼透镜、R-KR透镜、龙伯透镜等的无源多波束阵列。上、下册内容主要来源于作者所在毫米波全国重点实验室20多年来在这一领域的系列研究成果。

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 移动通信技术的演进 1
1.2 无线局域网通信技术的演进 5
1.3 雷达技术的演进 6
1.4 射电天文技术的演进 9
1.5 本章小结 11
参考文献 12
第2章 天线与阵列基础 17
2.1 单元天线 18
2.1.1 Strutton-Chu公式 18
2.1.2 对称振子天线的辐射场 22
2.1.3 矩形开口波导天线的辐射场 23
2.2 天线参数 26
2.2.1 方向图 26
2.2.2 方向性系数、增益与效率 28
2.2.3 天线带宽 30
2.2.4 相位中心 30
2.3 阵列天线 30
2.3.1 直线阵 31
2.3.2 非等幅馈电直线阵 34
2.4 面阵 42
2.4.1 矩形平面阵 42
2.4.2 圆形平面阵 44
2.4.3 圆柱形面阵 47
2.4.4 球面阵 48
2.5 本章小结 48
参考文献 48
第3章 Butler矩阵及多波束阵列天线 52
3.1 90°电桥 55
3.2 一维Butler矩阵及多波束阵列天线 56
3.2.1 半模Butler矩阵 58
3.2.2 低副瓣设计的Butler矩阵多波束天线以及应用实例 64
3.2.3 SICL小型化Butler矩阵及天线 86
3.3 二维Butler矩阵及多波束阵列 95
3.3.1 小型化平面宽带二维Butler矩阵架构 95
3.3.2 小型化平面宽带二维Butler矩阵设计 95
3.3.3 小型化平面宽带二维多波束天线实物及实验验证 104
3.4 本章小结 107
参考文献 108
第4章 Blass矩阵以及Nolen矩阵 111
4.1 Blass矩阵 111
4.1.1 Blass矩阵的原理以及综合设计 112
4.1.2 双层交叉SIW紧凑型耦合器的设计 115
4.1.3 SIW Blass矩阵的结构以及仿真结果 119
4.1.4 SIW Blass矩阵的测试结果与分析 120
4.2 基于单波束Blass矩阵的高增益跟踪天线 122
4.2.1 双层旋转结构设计原理 123
4.2.2 耦合器以及转接结构设计 124
4.2.3 移相器设计 129
4.2.4 连续波束扫描的理论基础 131
4.2.5 天线结构 132
4.2.6 天线阵面设计 133
4.2.7 波束扫描阵列整体结构设计与验证 135
4.3 Nolen矩阵 141
4.4 本章小结 147
参考文献 147
第5章 基片集成平面准光多波束阵列天线 150
5.1 基片集成平面罗特曼透镜 150
5.1.1 基片集成平面罗特曼透镜的基本结构及工作原理 151
5.1.2 基片集成平面罗特曼透镜的设计流程 154
5.1.3 毫米波基片集成罗特曼透镜设计实例 154
5.2 基片集成R-KR透镜 162
5.2.1 R-KR透镜基本原理 162
5.2.2 基片集成波导改进型R-KR透镜 164
5.3 基片集成抛物反射面 172
5.3.1 工作原理 172
5.3.2 基于基片集成抛物反射面的多波束天线设计案例 172
5.4 本章小结 176
参考文献 176
第6章 多模波束成形网络及多波束阵列天线 179
6.1 多模波束成形网络的基本原理 179
6.2 基片集成波导多模波束成形网络及多波束阵列天线 181
6.2.1 基片集成波导平面多模波束成形网络 181
6.2.2 基片集成波导多模波束成形网络及多波束天线实验结果 183
6.3 基片集成波导折叠多模波束成形网络及多波束阵列天线 185
6.3.1 基片集成波导折叠多模波束成形网络的结构与分析 186
6.3.2 基片集成波导折叠多模波束成形网络性能的实验验证 190
6.3.3 采用基片集成波导折叠多模波束成形网络的小型圆极化多波束天线 192
6.4 本章小结 199
参考文献 199
第7章 多馈源透镜多波束阵列 201
7.1 基于相位补偿的平面透镜工作原理及波束扫描特性分析 202
7.1.1 工作原理 202
7.1.2 扫描特性分析 203
7.2 平面透镜多波束阵列天线 207
7.2.1 毫米波七波束平面透镜天线 207
7.2.2 多馈源圆极化平面透镜多波束阵列天线 215
7.2.3 多馈源双圆极化平面透镜多波束阵列天线 221
7.2.4 四色法平面透镜多波束阵列天线 230
7.3 多馈源龙伯透镜多波束阵列天线 241
7.3.1 龙伯透镜 241
7.3.2 结合有源相控阵列以及多馈源龙伯透镜的混合二维多波束阵列天线 244
7.4 多馈源高增益平面透镜天线 251
7.4.1 多馈源高增益平面透镜天线结构 251
7.4.2 实验测试 252
7.5 本章小结 257
参考文献 257
第8章 其他基片集成无源多波束阵列天线 260
8.1 基片集成单脉冲天线 260
8.1.1 单脉冲天线 260
8.1.2 正反渐变槽单脉冲天线阵 262
8.1.3 94GHz基片集成波导单脉冲天线阵 266
8.1.4 基片集成同轴线单脉冲天线阵 270
8.2 八端口结基片集成多波束天线 283
8.3 多极化多波束阵列天线 285
8.4 本章小结 290
参考文献 291
彩图

第1章 绪论
　　1864年，麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组并预言了电磁波[1]。1887年，赫兹利用实验验证了电磁波的存在[2]。之后的一百多年，电磁波在雷达、通信、导航、射电天文等领域得到了广泛的应用。本章将简述移动通信、Wi-Fi、雷达和射电天文几个领域的演进过程，从中可以看到这些领域演进过程中的一些共性特征，其中需要特别指出的是：这些领域都在从单天线/单通道系统，向多天线/多通道MIMO系统，甚至大规模MIMO(massive MIMO)、超大规模MIMO(X-large scale MIMO)多波束阵列系统演进。在频率维度，也从MHz、GHz频段逐渐向毫米波甚至太赫兹频段拓展。《毫米波与太赫兹大规模阵列技术》分为上、下册，分别阐述毫米波与太赫兹无源和有源大规模波束成形阵列的基本原理和关键技术，以及一些代表性的系统应用。
　　1.1 移动通信技术的演进
　　在无线通信领域，1895年，马可尼利用火花放电器、感应线圈和电键制成了一台无线电发射机，又用金属检波器和天线制成了接收器，完成了30m距离的无线通信实验，*次证明了使用电磁波无线传输信号的能力[3]。20世纪20年代至40年代，研究者在短波频段上开发了专用移动通信系统，如美国底特律市警察使用的车载无线电系统。20世纪40年代中期至60年代初期，公用移动通信业务开始兴起，世界上**个公用汽车电话网在美国圣路易斯市建立，随后多国相继研制了公用移动电话系统。20世纪60年代中期至70年代中期，移动通信系统不断改进，实现了无线频道自动选择和自动接续到公用电话网。20世纪70年代中期至80年代中期，蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展，大大提高了系统容量。从20世纪80年代初开始，移动通信几乎每十年就会出现新一代[4]。**代移动通信(first generation，1G)是基于频分多址(frequency division multiple access，FDMA)接入技术的模拟通信，主要支持语音通信[5]。第二代移动通信(second generation，2G)从模拟移动通信演进为数字移动通信，采用了时分多址(time division multiple access，TDMA)和码分多址(code division multiple access，CDMA)接入技术，除了支持语音通信之外，还支持用户之间的短信业务[6，7]。第三代移动通信(third generation，3G)采用先进的CDMA技术，开始支持多媒体数据业务[8]。第四代移动通信(fourth generation，4G)引入了正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)和多输入多输出(MIMO)技术，从而获得了比3G高得多的数十Mbit/s的传输速率[9，10]。4G时代的革命性标志是智能手机在全球范围内的迅速广泛使用，它改变了人们相互联系的方式，甚至改变了人类的生活方式。第五代移动通信(fifth generation，5G)采用的核心技术中*具代表性的就是引入了大规模MIMO和毫米波技术[11-21]。5G在移动通信基础设施中*次利用毫米波频谱，以提供更高的数据传输速率和极低的时延。目前，第六代移动通信(sixth generation，6G)正处于核心技术研发和标准研究阶段。众所周知，地球表面约71%是海洋，约29%是陆地。1G～5G基本上是面向陆地上的移动通信，而6G将实现中低轨卫星网与地面移动通信网络的融合，从而将在移动通信的历史上*次实现对整个地球表面到近地空间的全覆盖[22-27]。
　　众所周知，描述一个通信系统容量的**公式就是如下的香农公式：
　　(1-1)
　　其中，是系统的极限信息传输速率，单位为bit/s；是信道带宽；为信号噪声功率比(信噪比)。香农公式描述了有限带宽、有随机热噪声信道的*大传输速率与信道带宽、信噪比之间的关系。香农公式表明，信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。然而，香农公式只是给出了理论上的极限传输速率，实际中要达到这个速率是非常困难的，因为在实际通信中总会存在各种损耗和干扰。
　　我们知道，1G～3G的移动通信系统是单输入单输出(single input and single out，SISO)系统，上述香农公式实际上给出了SISO系统的容量极限。4G移动通信引入了如图1-1(a)所示的MIMO技术，假定左侧为基站，有N个射频通道、N个天线，右侧终端有M个射频通道、M个天线，则构成一个的MIMO通信系统。图1-1中，Ant n表示第n个天线，DPX/SW分别表示频分双工(frequency-division duplex，FDD)和时分双工(time-division duplex，TDD)模式下的双工器和开关，LNA和PA分别表示低噪声放大器和功率放大器，ADC和DAC分别表示模数转换器和数模转换器，Lo表示本振。
　　考虑下行情况，这时基站侧发射天线数为，终端侧接收天线数为，系统容量公式如下[28]：
　　(1-2)
　　其中，为单位矩阵；为信道矩阵；det(？)表示矩阵的行列式运算；表示矩阵共轭转置；是每个接收天线处的平均信噪比。
　　5G移动通信又进一步拓展至大规模MIMO，6G移动通信甚至在讨论超大规模MIMO和全数字大规模MIMO(all-digital massive MIMO)阵列技术[29，30]，如图1-1(b)所示。这时，参照多波束卫星通信情况[31]，我们可用下式描述N波束系统的容量：
　　(1-3)
　　其中，为第n个波束的信噪比。
　　图1-1 MIMO系统与大规模MIMO多波束阵列系统
　　x、y分别表示波束成形矩阵的输入、输出变量，wij是加权系数，BB/SP表示基带信号处理，UE(user equipment)为用户设备
　　实际上，对于多波束阵列系统，我们可以理解为N个SISO系统共享一个阵列前端，但互相之间的干扰会恶化每个波束链路的信噪比。
　　近些年，语义通信成为6G研究的热点之一[32-34]。文献[34]中建议将信道容量公式修改为
　　(1-4)
　　其中，S表示平均同义时间长度。
　　文献[35]中给出了一个三维(3D)视距信道容量公式，该公式内含了矢量电磁物理特性，并适用于近场和远场场景：
　　(1-5)
　　其假定N个本征值近似相等，即，以及发射机为每个子信道分配相同的功率。N个本征值也对应N个*立的子信道，是第n个子信道的噪声功率。
　　对于广泛使用的2KQAM调制，系统容量与信道带宽B、调制阶数K以及波束或数据流的数量N成比例，即
　　(1-6)
　　由式(1-6)可知，增加无线通信系统容量或吞吐率的主要途径有三个：一是增加带宽；二是提高频谱利用率或调制阶数；三是增加数据流个数。频谱是受各国政府管控的一种资源，所以增加带宽会受到政策限制。调制阶数越高，对系统的信噪比要求越高，而系统信噪比又受到半导体器件性能的限制。利用MIMO技术增加数据流个数是提高系统吞吐率的非常有效的手段，这也是5G采用大规模MIMO、6G可能采用超大规模MIMO技术的原因。另外，若要获得100Gbit/s的传输速率，采用1024QAM调制，对于SISO系统就需要至少10GHz的带宽，这在微波频段几乎是不可能的，所以从5G开始，无线通信的频率逐渐向毫米波甚至太赫兹频段拓展[29，30]。
　　低频段5G(sub-6GHz)已实现大规模商用，有些基站设备可支持64T64R，也就是可同时支持64个数据流，从而大幅度提高了系统的吞吐率和传输速率。对于5G毫米波，为了克服路径衰减，同时平衡复杂度与成本，采用了混合多波束架构的大规模MIMO技术，每个相控子阵支持1个(单极化)或2个(双极化)波束或数据流，一般配置4个相控子阵，支持4个(单极化)或8个(双极化)数据流。由于5G毫米波的信道带宽比低频段5G的信道带宽宽很多，因此在数据流较少的情况下也可支持高的系统吞吐率和传输速率。
　　可以看到，1G～3G移动通信是SISO系统，而4G移动通信则引入了MIMO技术，5G发展至大规模MIMO，6G将进一步拓展到超大规模MIMO。对应的射频与天线技术也从单天线、单通道，向多天线、多通道，进而向大规模甚至超大规模阵列演进。
　　1.2 无线局域网通信技术的演进
　　无线通信的另一个重要的分支是Wi-Fi，是基于IEEE 802.11标准的无线局域网(wireless local area network，WLAN)通信技术。IEEE 802.11无线局域网标准有许多版本，包括11b、11a、11g、11n、11ac和11ax等，工作频段以2.4GHz和5.8GHz频段为主，都共享一个类似的媒体接入控制(media access control，MAC)层，以满足互操作性[36]。不同代Wi-Fi与IEEE 802.11标准的对应关系如表1-1所示。
　　从表1-1可以看出，Wi-Fi的演进与移动通信的演进很类似，提高系统吞吐率或传输速率的主要方法也是增加带宽、增加数据流个数和提高调制阶数或频谱利用率。对应的射频与天线技术，也是从单天线、单通道向多天线、多通道演进。
　　目前，Wi-Fi 7已进入商用，Wi-Fi 8标准正在紧锣密鼓的制定之中。针对短距高速接入，IEEE已陆续制定了毫米波无线局域网标准。例如，IEEE 802.11ad工作组根据无线千兆联盟(WiGig)的意见制定了802.11ad标准。802.11ad标准将60GHz频段划分为四个2.16GHz的信道，并支持高达8.085 Gbit/s的数据传输速率[37]。此外，近十几年制定的毫米波高速通信标准还有IEEE 802.15.3c无线个人局域网[38](wireless personal area network，WPAN)、无线高清(wireless HD，WiHD)[39]、欧洲计算机制造商协会(european computer manufacturers association，ECMA)[40]、IEEE 802.11ad无线局域网(WLAN)[41]和中国牵头完成的毫米波超高速接入标准IEEE 802.11aj[42-45]等。
　　目前，在Wi-Fi 8标准的制定过程中，高低频协同通信逐渐成为共识。未来的Wi-Fi 8极有可能协同2.4GHz、5.8GHz、6GHz和42～71GHz多频段实现超过100Gbit/s的超高通信速率。
　　在IEEE 802.11ad中，为了克服60GHz频段的高路径损耗，引入了相控阵波束成形技术。可以看到，Wi-Fi通信系统的演进，也是从SISO到MIMO，再到大规模阵列的演进过程。
　　1.3 雷达技术的演进
　　雷达(radio detection and ranging，Radar)是*重要的无线电应用领域之一。在20世纪初，德国科学家克里斯蒂安？赫斯迈尔(Christian Huelsmeyer)利用电波探测远处的金属物体，用来防止轮船之间的碰撞，但没有考虑测距。之后，霍尔曼(Hollmann)等完善了该系统，使该系统可以探测到8km远的轮船和30km远、500m高空飞行的飞机。后来，上述系统分别形成了舰载(Seetakt)和地基(Freya)两个雷达系统。该阶段被视为雷达的雏形阶段[46-50]。
　　20世纪30年代，随着远程军用轰炸机的出现，雷达的研发工作开始加速。1935年，苏格兰物理学家罗伯特？沃森？瓦特(Robert Watson-Watt)牵头成功研制出**台实用雷达系统，这一发明在第二次世界大战中发挥了重要作用。在第二次世界大战期间，雷达得到了迅速发展并广泛应用于实战。除了军用领域，雷达在民用领域也