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，下册介绍有源波束成形阵列技术，主要内容包括大规模波束成形阵列架构、有源相控阵、混合波束成形阵列、全数字波束成形阵列、非对称全数字波束成形阵列、基于半导体二极管和液晶移相器的n-bit反射阵和透射阵等。《毫米波与太赫兹大规模阵列技术 下册：有源波束成形阵列技术》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 毫米波与太赫兹大规模阵列架构 1
1.1 大规模波束成形阵列的分类 1
1.2 模拟域波束成形阵列 2
1.2.1 无源相控阵 4
1.2.2 有源相控阵 6
1.3 数字域波束成形阵列 14
1.3.1 对称全数字波束成形阵列 14
1.3.2 非对称全数字波束成形阵列 15
1.4 混合域波束成形阵列 18
1.4.1 基于相控子阵的混合域波束成形阵列 19
1.4.2 基于无源波束成形矩阵与数字域波束成形的混合域波束成形阵列架构 24
1.5 本章小结 25
参考文献 25
第2章 毫米波与太赫兹集成电路 30
2.1 毫米波太赫兹器件 30
2.1.1 振荡器与频率源 31
2.1.2 功率放大器 35
2.1.3 低噪声放大器 39
2.1.4 混频器 43
2.1.5 开关 44
2.1.6 移相器 49
2.1.7 可变增益放大器 53
2.1.8 倍频器 56
2.2 接收机 60
2.2.1 零中频接收机 60
2.2.2 超外差接收机 62
2.3 发射机 65
2.3.1 零中频发射机 65
2.3.2 超外差发射机 69
2.4 本章小结 72
参考文献 72
第3章 毫米波多通道波束成形芯片 75
3.1 模拟域波束成形芯片 75
3.1.1 Ka波段4/8通道波束成形芯片 75
3.1.2 W波段4通道波束成形芯片 77
3.2 支持全数字多波束阵列系统的多通道收发芯片 82
3.2.1 Ka波段4通道发射芯片 82
3.2.2 Ka波段4通道接收芯片 86
3.3 多通道射频全连接波束成形芯片 89
3.3.1 K/Ka波段地面终端8通道芯片 92
3.3.2 K/Ka波段星上4波束芯片 95
3.4 本章小结 97
参考文献 97
第4章 毫米波大规模MIMO混合多波束阵列 99
4.1 技术指标与架构 100
4.2 天线单元设计 103
4.3 变频器子系统设计 104
4.4 本振子系统设计 107
4.5 有源阵列天线系统的远场测试 109
4.6 阵面自校准技术 119
4.7 本章小结 127
参考文献 127
第5章 毫米波全数字多波束大规模MIMO阵列 130
5.1 对称毫米波全数字多波束大规模MIMO阵列 130
5.1.1 天线 132
5.1.2 收发通道 138
5.1.3 波束成形与预编码 156
5.1.4 毫米波全数字波束成形收发系统测试 159
5.2 非对称全数字多波束大规模MIMO阵列 164
5.2.1 “砖墙式”非对称毫米波全数字大规模MIMO阵列 166
5.2.2 “瓦片式”非对称毫米波全数字大规模MIMO阵列 177
5.2.3 非对称毫米波全数字大规模MIMO阵列传输实验 184
5.3 本章小结 186
参考文献 187
第6章 基于半导体器件的n-bit反射阵和透射阵 189
6.1 n-bit空馈波束成形阵列基础原理和阵列架构 189
6.1.1 离散移相和连续移相阵列对比 189
6.1.2 n-bit波束成形阵列基础架构分类 192
6.2 n-bit反射式波束成形阵列 193
6.2.1 1-bit反射阵 193
6.2.2 2-bit反射阵 202
6.3 n-bit透射式波束成形阵列 211
6.3.1 1-bit透射阵 211
6.3.2 2-bit透射阵 217
6.4 n-bit辐射式波束成形阵列 218
6.5 本章小结 221
参考文献 221
第7章 基于向列相液晶材料的相控阵天线 227
7.1 液晶材料及其电特性 228
7.1.1 液晶材料基础 228
7.1.2 液晶材料介电特性表征 229
7.2 液晶移相器技术 232
7.2.1 液晶移相方法分类 232
7.2.2 谐振式液晶移相策略 233
7.2.3 非谐振式液晶移相策略 234
7.3 液晶相控阵 240
7.3.1 液晶相控阵架构分类 240
7.3.2 辐射式液晶相控阵 241
7.3.3 反射式液晶相控阵 246
7.4 液晶相控阵校准技术 251
7.4.1 辐射式液晶相控阵校准技术 251
7.4.2 反射式液晶相控阵校准技术 253
7.5 本章小结 259
参考文献 260
第8章 毫米波与太赫兹片上阵列 266
8.1 片上天线 266
8.1.1 片上微带贴片天线 266
8.1.2 片上缝隙天线 270
8.1.3 介质谐振器加载片上天线 276
8.2 片上多通道相控阵列 283
8.3 太赫兹相干辐射源阵列 283
8.3.1 基本原理 284
8.3.2 辐射二次谐波的二维可拓展阵列 290
8.3.3 辐射三次谐波的二维可拓展阵列 298
8.4 本章小结 303
参考文献 304
第9章 硅基太赫兹高速无线传输技术 309
9.1 D波段硅基收发机和传输实验 310
9.1.1 D波段发射机 311
9.1.2 D波段接收机 317
9.1.3 D波段收发机传输实验 320
9.2 220GHz硅基收发机和高速无线传输实验 328
9.2.1 220GHz收发机系统框架 328
9.2.2 220GHz本振信号生成器 329
9.2.3 220GHz发射机 333
9.2.4 220GHz接收机 337
9.2.5 220GHz收发机传输实验 341
9.2.6 220GHz硅基发射机阵列及远距离无线传输实验 348
9.3 300GHz硅基收发机和无线传输实验 366
9.3.1 300GHz发射机 366
9.3.2 300GHz接收机 369
9.3.3 300GHz收发机传输实验 372
9.4 本章小结 376
参考文献 376
彩图

第1章毫米波与太赫兹大规模阵列架构
　　在上册第1章绪论中，通过对移动通信、Wi-Fi、雷达以及射电天文望远镜等系统的演进历史进行梳理，看到这些系统都呈现出向多输入多输出(MIMO)以及大规模MIMO阵列系统方向发展的趋势，并且工作频率也从低频段逐渐向毫米波甚至太赫兹频段拓展。上册总结了无源波束成形阵列方面的一些研究进展，下册着重介绍有源大规模波束成形阵列的基本原理和一些研究进展。
　　本章介绍有源大规模波束成形阵列的架构，涵盖模拟域、数字域和混合域波束成形阵列。详细介绍包括射频移相相控阵、中频移相相控阵、本振移相相控阵、全连接多波束相控阵、全数字多波束阵列、混合多波束阵列以及非对称全数字多波束阵列在内的一系列关键阵列架构。此外，也简要介绍馈源照射下，利用大规模相位可调单元构建反射阵和透射阵，实现波束调控。相位可调单元可以采用液晶移相器，或者由开关二极管构成的n-bit相位可调天线单元。
　　本章旨在为读者提供一个关于不同类型大规模波束成形阵列技术基本原理的概览[1，?2]。关于这些阵列的设计、实现和应用，将在后续章节中展开详细介绍。
　　1.1 大规模波束成形阵列的分类
　　大规模波束成形阵列大致可分为三类，即模拟域波束成形阵列、数字域波束成形阵列和混合域波束成形阵列。根据阵列支持的波束数，又可分为单波束阵列和多波束阵列。上述三类阵列中的每一类又可细分为若干不同的阵列架构，如图?1-1所示。模拟域波束成形阵列包括无源波束成形阵列和有源波束成形阵列，而有源波束成形阵列又可细分为射频移相、中频移相和本振移相等阵列架构。数字域波束成形阵列可分为对称全数字波束成形阵列和非对称全数字波束成形阵列。混合域波束成形阵列可衍生出各种阵列架构，例如，射频移相相控子阵与数字域波束成形相结合的混合多波束阵列架构、无源波束成形网络与数字域波束成形相结合的混合多波束阵列架构等。目前，5G毫米波基站采用的就是射频移相相控子阵与数字域波束成形相结合的混合多波束大规模阵列架构[1-9]，每个射频移相相控子阵连接一路上下变频器(up-and-down converter，UDC)，然后在数字域再进行一次波束成形。这种架构会失去对各个波束*立调控的灵活性，于是在实际应用中通常会放弃数字域波束成形，其结果是每个波束仅具有子阵列的增益。对称与非对称全数字多波束大规模甚至超大规模阵列可以同时支持几十甚至几百个波束，或者承载几十甚至几百个数据流，从而大幅提高系统容量。因此，全数字波束成形阵列架构应是未来移动通信、卫星通信、感知、雷达等的核心支撑技术[9-11]。
　　图1-1大规模波束成形阵列的分类[1]
　　1.2 模拟域波束成形阵列
　　模拟域波束成形阵列架构如图1-2所示，其中，Antm(m=1，2，，M)表示第m个天线单元，为馈入第m个天线单元的信号。假定系统支持N个波束，每个波束承载一个数据流，则模拟域波束成形就是在模数转换器/数模转换器(ADC/DAC)与天线单元之间插入如下波束成形矩阵：
　　(1-1)
　　其中，
　　(1-2)
　　图1-2 模拟域波束成形阵列架构[1]
　　其中，上角标T表示矩阵转置；为波束成形权系数矩阵，其矩阵元素为
　　(1-3)
　　调节权系数矩阵元素的相位，就可实现对各个波束指向、波束形状以及方向图零点等的调控；如果同时调节权系数矩阵元素的幅度，又可控制副瓣电平，实现波束的低副瓣设计。当时，就退化为单波束波束成形阵列，或单波束相控阵。
　　通过调节权系数矩阵元素的幅度可以降低每个波束的副瓣电平，从而减少波束之间的干扰，但其代价是牺牲一定的阵列增益或系统效率。因此，实际系统中通常采用预编码或波束干扰抑制算法来解决波束间的干扰问题[12-15]。
　　参考《毫米波与太赫兹大规模阵列技术上册：无源波束成形阵列技术》第2章，我们有上述M个天线单元组成的阵列的远区辐射场：
　　(1-4)
　　其中，，和分别为第m个天线单元的馈电幅度和相位；为第m个天线单元的方向图；为第m个天线单元的位置矢量，和r分别为远区场点的位置矢量的单位矢量和模。式(1-4)等号右端中去掉原点处理想点源的格林函数后，就是阵列的方向图。
　　由图1-2可知，馈入第m个天线单元的信号为
　　(1-5)
　　代入式(1-4)，有
　　(1-6)
　　其中，是激励分布对应的方向图，也就是第n个输入数据流(发射情形)经过波束成形网络分配到M个天线单元的激励分布对应的方向图。可见，每个数据流在空间产生的波束具有线性叠加性和相对*立性。这里所谓相对*立性，是指每个数据流对应的主波束的指向可以*立控制，但其副瓣会对其他波束产生干扰，甚至两个波束靠近时，主波束之间也会产生干扰。因此，对于同时多波束阵列应用，波束之间的干扰抑制是一个重要的研究方向。
　　1.2.1 无源相控阵
　　由于有源器件的限制，早期发射机/接收机成本高、体积庞大、可靠性和一致性差，很难为每个天线单元配置一个发射机/接收机而构成有源相控阵系统。所以，*早的相控阵雷达采用的是无源相控阵架构，即每个天线单元前置一个移相器并通过无源功分/合路馈电网络与单通道发射机/接收机相连。虽然性能较差，但相对于传统的单通道单天线固定波束机械扫描雷达，可以说是革命性的进展[16-26]。
　　1.单波束无源相控阵
　　图1-3所示为单波束无源相控阵原理图，其中，BPF为带通滤波器(bandpass filter)；PS m为第m个天线单元的前置移相器(phase shifter)；DPX/SW表示频分双工器/时分收发开关(duplexer/switch)；PA为功率放大器(power amplifier)；LNA为低噪声放大器(lownoise amplifier)；LO表示本振信号(local oscillator)、ADC/DAC为模数转换器/数模转换器(analog-to-digital converter/digital-to-analog converter)；BB表示基带(baseband)信号处理单元、SP表示数字信号处理(signal processing)。为了获得比较高的天线增益和比较宽的扫描范围，同时避免出现相控阵主波束波瓣分裂现象，天线单元间距d通常取0.5～0.8，这里为自由空间波长。单通道发射机的输出信号通过馈电网络分配至每个天线单元，并在馈入每个天线单元前通过移相器和带通滤波器，以实现移相和发射信号的带外抑制。另一方面，从各天线单元接收到的信号经过带通滤波器和移相器后，通过合路器合路后进入接收机。这里之所以称为无源相控阵，是因为移相器不是置于收发电路中，而是置于天线处，而且实现相控功能的阵列部分没有信号的放大或变频。
　　图1-3 单波束无源相控阵阵列架构
　　从图1-3中可以看出，发射机输出信号经过分路器、移相器和滤波器后，大部分信号功率被损耗掉，只有少部分功率进入天线单元并辐射到空间。通常滤波器的插入损耗为1～3dB，移相器的衰减为3～6dB，阵列规模比较大时功率分配网络的插入损耗也高达2～5dB。因此，发射机信号在进入天线前会被损耗6dB以上，也就是说只有约四分之一的信号功率真正馈入天线。另一方面，接收信号经过滤波器、移相器、合路器进入接收机之前也有超过6dB的损耗，这将严重恶化接收通道的整体噪声系数或接收信号的信噪比。这些缺点大大限制了无源相控阵的应用，与后面要介绍的有源相控阵相比，无源相控阵的优点是只需要单通道发射机/接收机，成本和复杂度相对较低。
　　2.多波束无源相控阵
　　对于无源相控阵，对应的多波束阵列架构如图1-4所示，其中每个发射机/接收机通道对应一个波束。与图1-3所示的单波束无源相控阵相比，滤波器与移相器之间又增加了一层合路器。显然，各天线单元与各发射机/接收机之间的路径损耗又进一步增加，整个系统的效率又进一步降低。对于雷达应用，不同波束可以跟踪不同的目标；对于通信应用，每个波束可以承载一个数据流，从而大幅提高系统的吞吐率或传输速率。值得指出的是，图1-4中每个发射机/接收机或每个波束可以工作在系统频带内的不同频点或相同频点。
　　图1-4 多波束无源相控阵阵列架构
　　1.2.2有源相控阵
　　1.2.1节介绍的无源相控阵具有成本和复杂度低等优点，但其致命弱点是天线单元与发射机/接收机之间的损耗太大，导致整个系统效率低、性能差。随着半导体器件与工艺，特别是集成电路的进步，发射机/接收机的成本和体积大幅度下降，可靠性和一致性大幅提高，于是可以为每个天线单元配置一个发射机/接收机，构成有源相控阵系统。
　　在有源相控阵系统中，每个发射机/接收机直接与一个天线单元相连，避免了无源相控阵中天线单元与收发机之间的功率分配/合路网络，而且移相器置于发射机PA之前和接收机LNA之后，有效降低了对发射功率的损耗和接收通道噪声系数的恶化，从而大幅提高了系统的效率和性能。根据移相器在发射机/接收机中的位置，有源相控阵又分为射频移相相控阵和中频移相相控阵，如果是通过控制每个收发通道本振信号的相位实现阵列相控，就是本振移相相控阵[27-29]。下面对上述三种有源相控阵阵列架构分别进行介绍。
　　1.射频移相相控阵
　　射频移相相控阵是实际中用得比较广的一种大规模波束成形阵列，可以实现单波束，也可实现多波束。单波束射频移相相控阵阵列架构如图1-5所示，其中，图1-5(a)中收发移相器是*立的，而图1-5(b)中的收发移相器是共用的。前者无论是频分复用(frequency division duplexing，FDD)还是时分复用(time division duplexing，TDD)体制，发射和接收通道都可以*立校准，波束*立控制；后者虽然节省了一半的移相器，但原则上只能应用于时分情形，在发射和接收状态分别对通道进行校准，以及分别进行相位控制。