社會(huì)嚴(yán)重依賴無線通信。許多人可以使用至少一部手機(jī)。實(shí)際上，使用的手機(jī)數(shù)量超過了地球上目前的人口。預(yù)測表明，在五年內(nèi)，將有超過40億個(gè)附加設(shè)備連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果，數(shù)據(jù)流量將增長，從而導(dǎo)致當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)的擁塞。為了緩解此問題，世界正在轉(zhuǎn)向第五代(5G)移動(dòng)通信，但這將需要對天線系統(tǒng)進(jìn)行重大更改。電氣工程師和博士候選人Teun van den Biggelaar開發(fā)了一種基于相控陣方法的天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在5G網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行可靠的通信。Teun獲得博士學(xué)位 將于11月11日在TU / e取得優(yōu)等生。

最近幾個(gè)月，您很有可能聽說過5G一詞，它與我們未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有關(guān)。但是5G到底是什么?

“以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)是'一個(gè)萬能的解決方案。5G是移動(dòng)通信行業(yè)的一種范式轉(zhuǎn)變，因?yàn)椴煌念l段可以用于不同的應(yīng)用。在歐洲，這些頻段大約為700 MHz，3.5 GHz和26 GHz。” Van den Biggelaar說道。“每個(gè)頻段都有其自身的功能和含義。在Bart Smolders教授領(lǐng)導(dǎo)的TU / e電磁學(xué)小組中，我們專注于26 GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)，通常稱為5G毫米波(mm-wave)頻段。 ”

這個(gè)毫米波頻段提供了很大的帶寬，并允許很高的數(shù)據(jù)速率。與4G相比，數(shù)據(jù)速率可以提高10到100倍。

減少5G的通訊范圍

利用5G毫米波頻段需要付出一定的代價(jià)：5G毫米波頻率的通信范圍大大低于4G頻率，因?yàn)?G毫米波頻率更容易被樹木和建筑物等物體擋住。通信范圍的減小可以通過安裝更多的基站來解決，與4G網(wǎng)絡(luò)中使用的小區(qū)相比，這將允許在5G毫米波網(wǎng)絡(luò)中使用較小的小區(qū)。補(bǔ)償這些損耗的另一種措施是通過使用相控陣系統(tǒng)來增加天線系統(tǒng)的所謂增益。

開發(fā)5G相控陣系統(tǒng)

4G系統(tǒng)中使用的典型天線具有相對較低的增益，這意味著其輻射不會(huì)集中在一個(gè)特定方向上。如果在天線陣列中使用多個(gè)天線，則會(huì)產(chǎn)生干涉圖，然后可以將輻射集中在一個(gè)方向上。這導(dǎo)致系統(tǒng)具有更大的天線增益，從而克服了與5G毫米波段相關(guān)的增加的損耗。通過以一種智能的方式調(diào)節(jié)到每個(gè)天線元件的信號(hào)，甚至可以改變輻射方向，并可以用來跟蹤移動(dòng)的用戶。

這種相控陣系統(tǒng)最有可能在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用。對于他的博士學(xué)位 范登·比吉拉爾(Van den Biggelaar)與奈梅亨(Nijmegen)的恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors)合作開發(fā)了5G天線系統(tǒng)。

天線系統(tǒng)的特性

Van den Biggelaar指出：“確保天線系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織和政府機(jī)構(gòu)制定的法規(guī)，對于確保可靠的通信并減輕健康風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。” “因此，準(zhǔn)確表征天線系統(tǒng)至關(guān)重要。”

常規(guī)4G基站中的天線和電子設(shè)備可以分別設(shè)計(jì)和表征。在5G毫米波頻率下，這是不切實(shí)際的，因?yàn)閱蝹€(gè)天線元件非常小并且通常高度集成。Teun與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)合作，開發(fā)了準(zhǔn)確表征5G毫米波(集成)天線的方法系統(tǒng)。這些方法導(dǎo)致更少的測量誤差和不確定性，最終將提高未來5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的可靠性。由于這些方法也適用于高頻應(yīng)用，因此Van den Biggelaar的工作也可以應(yīng)用于6G移動(dòng)通信。