2021-01-05

6G关键技术系列（二）——新型天线技术

翻译自三星6G白皮书

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为了应对太赫兹波段传播困难的特性，在5G中引入大规模天线技术来支持毫米波(mm波)波段可能是常规方法的。由于太赫兹波段比毫米波波段需要更多的天线，可能会有更多的实际困难。在本节中，我们简要回顾了新型天线技术作为可能的替代方案。

超材料通常是通过将多个可调元件(PIN二极管、变容二极管等)以小于波长的比例重复排列而构成的。其精确的形状、几何构造、尺寸、方向和排列使智能性能能够操纵电磁波，例如阻挡、吸收、增强或弯曲波，以获得比常规材料更多的好处。此外，构成超材料的每个元素都可以独立控制，以实现电磁波的理想特性，如传播方向和反射方向。以下有三种比较好的方法来使用超材料。

1. 亚曲面透镜作为相移结构被应用于从天线阵列辐射的信号。它可以通过对其构造元件施加直流偏置来调整光束方向，如下图所示。亚曲面透镜可以帮助锐化光束形状。

亚曲面透镜

2. 亚曲面材料天线作为一个共振天线，其本身可以辐射直线光束，如下图所示。与亚曲面透镜不同的是，它不需要一个单独的带有移相器的天线阵列。

亚曲面材料天线

3. 可重构智能表面(RIS)可以用来提供一个不存在LoS路径存在的传播路径。通过RIS进行信号反射的一个例子如图所示。
   

处于基站和移动用户之间的RIS辅助通信，其中LoS路径被阻挡

轨道角动量
当光穿过空间时，构成光的电场和磁场有各自的相互垂直的振荡轴。有两种类型的旋转与这些轴有关，这些旋转可以被视为两种类型的动量，即自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。理论上，OAM可以有多个正交模式，这取决于光围绕其传播方向旋转的速度。

在电磁波的形式下，实验证明使用发射天线阵列可以同时产生不同的OAM模式。该属性可以被用来通过使用不同的OAM模式复用多个信号（或层）来增加数据速率。研究表明，就容量和总天线占用而言，OAM是传统空间复用的特例。下图显示了无线回程信道中提出的OAM复用的具体设计，其中LoS路径占主导地位。通过OAM，可以在传统多输入多输出技术无法实现的环境中实现高阶空间复用，即LOS信道。在这种情况下，这项技术是相当有前途的，但在现实环境中实际实施和操作仍然存在许多问题。

不同OAM模式下的OAM复用