毫米波(mm-Wave)技术可能是5G和早期6G无线系统的关键推动力。 当毫米波被利用时，可以实现高吞吐量、大容量和低延迟，使其成为小蜂窝和基站之间或基站和网关之间通信的最有前途的回程和前程解决方案。根据信道特性，不同的通信系统（如波束成形和MIMO）可以相应地提供最佳的解决方案。在这项工作中，研究人员的目标是设计用于开关波束相控阵的毫米波波束成形器作为混合波束成形级。  具体来说，研究人员提出了三种不同的模拟波束成形技术，适用于27-33GHz的频率范围。 首先，研究人员提出了一种新型的紧凑型多层Blass矩阵。其次，他们介绍了一种改进的无哑口、高效的Rotman透镜。最后，他们还介绍了一种受微波光子学启发的三层真时延树拓扑结构。

 相关论文以题为“     Design of True Time Delay Millimeter Wave Beamformers for 5G Multibeam Phased Arrays    ”与2020年08月19日发表在《     Electronics    》上。

 第五代(5G)无线系统向高微波和毫米波(mm-Wave)频率的演进提供了显著的优势，因为可用频谱宽(即高吞吐量、高容量和低延迟)，以及较小的波长所带来的改进特性。 当然，更高频率的特点是面临着更高的传播损耗、局部振荡器中更高的相位噪声以及射频前端更高的插入损耗等挑战。

伴随而来的是，即使是树木也可能产生阴影，由于雨水衰减、大气和分子吸收，传播范围有限，以及对建筑物的穿透力较低或无法穿透。后者可以通过确保视距链路来弥补，因此需要密集的基站，甚至是150-200米的距离。

 因此，毫米波通信主要用于室内环境和小蜂窝接入。为了保证5G的超高通信速率，无论如何都需要这种密集化。 当然，密集部署的小蜂窝需要很高的成本来连接5G基站(BSs)和其他BSs，以及通过光纤回程连接网络。相比之下，毫米波频段的无线回程可以提供高速、宽带宽、几Gbps的数据速率，性价比更高、更灵活、更容易部署。

如图1所示，无线mm-Wave通信系统是一种极有前景的小蜂窝回程解决方案，它可以支持小蜂窝基站（BS）之间或BS与网关之间所需的高速传输。  然而，需要高天线增益(或窄波束宽度)来补偿高传播损耗。因此，需要波束成形。

 图1.不同的5G通信小区说明。

混合波束成形自1970年起就被采用。此外，在最近的论文中也提出了各种混合波束成形系统。具体来说，这类系统由以下部件组成，如图2所示：(i)天线阵列；(ii) "射频预编码"，即由若干发射射频链驱动的模拟射频波束成形器；(iii)若干数模转换器(DAC)，将 "数字基带预编码"(它扮演发射机的软件定义无线电(SDR)的角色)结合到模拟射频波束成形网络中。接收机遵循同样的逻辑，出现在图2的底部。

值得注意的是，混合波束成形将模拟波束成形器的低成本、简单、易实现的特点与数字波束成形器的强大能力结合起来，如全面的干扰抑制和朝向任何所需位置的波束转向（至少理论上是这样）。因此，通过将模拟波束形成器和数字波束形成器相结合，可以开发出满足5G需求的新型通信系统。研究人员的论文主要研究模拟波束成形器，它是混合波束成形系统的重要组成部分。

 图2.混合波束成形架构。

 布拉斯矩阵架构

如图3所示，用不等分功率的定向耦合器实现互连。对于阵列的均匀振幅激励，第一排(N个中的)耦合器将功率划分为流向天线元件的1/N部分和沿柱流向网络其它部分的(N-1)/N部分。同样，第二排耦合器将功率分成1/(N-1)和(N-2)/(N-1)的比例，以此类推。此外，只要研究人员远离进料口，向辐射元件（元件1，元件2，......，元件N）移动，就会引入额外的电气长度，造成元件之间的真时延（TTD）差，这就是研究人员阵列的光束转向。通过适当地选择这些路径的长度，研究人员可以将光束转向所需的方向。

然而，只要研究人员向着更高的端口数（端口1，端口2，......，端口M）移动，信号可能会沿着不同的路径到达特定的辐射元件（图3）。以端口2为例，当它激发辐射元件2。如图3所示，所需的信号是可以沿着用绿线表示的路径。然而，信号还可以走另外一条路径，这就是用红线表示的路径。这第二条路径是不需要的，被称为虚假路径，它是导致Blass矩阵性能下降的原因。

 图3.布拉斯矩阵示意图。

以紧凑的毫米波波束成形网络为目标，介绍了本文采用的双层半圆形Blass矩阵。图4是圆形拓扑结构的图形表示。半圆形Blass矩阵的设计使波束2和3与波束1相同，但巧妙地旋转，使它们之间的传输线引入所需的时间延迟。因此，对于第1束，第n个元素的时间延迟为nτvertical，对于第2束为n(τvertical+τhorizontal)，而对于第3束为n(τvertical+2τhorizontal)。通过确定τvertical和τhorizontal，可以准确地将每个光束转向所需的方向。

 图4.圆形Blass矩阵拓扑结构。

 结论

 毫米波通信已经成为未来无线网络最有希望的候选者之一。 在本文中，研究人员针对5G和早期6G无线通信系统的需求，解释了为什么必须使用混合波束成形网络来应对这些网络和相应信道环境的挑战。具体来说，研究人员提到毫米波波束成形器适合于交换式波束相控阵作为混合波束成形级。研究人员开发了三种不同的真时延模拟波束成形网络：多层Blass矩阵、Rotman透镜和多层树状拓扑结构。  对于每一种波束成形网络，研究人员分别开发了其设计方法，并分析了其电磁性能，从而表明它们对未来通信系统的适用性。