Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2020 Vol.21 No.1 P.1-194

Cover:

<768>

Contents:

<607>

<<< CONTENTS >>>

Special Issue on Evolution and Innovation of Antenna Systems for Beyond 5G and 6G

Guest Editor-in-Chief: Bao-yan DUAN

Editoral

Editoral: Evolution and innovation of antenna systems for beyond 5G and 6G

Bao-yan Duan

DOI: 10.1631/FITEE.2010000 Downloaded: 3023 Clicked: 10397 Cited: 0 Commented: 0(p.1-3) <Full Text>

Chinese summary <112> 后5G与6G天线系统技术演进与创新

段宝岩
西安电子科技大学机电科技研究所，中国西安市，710071

摘要：近年来，随着第五代（5G）无线通信系统发展，5G网络建设和终端设备已逐步定型并步入商用阶段。同时，第六代（6G）移动通信系统已成为备受学术界和工业界瞩目的重要领域，前景广阔。与5G相比，6G可实现更快的接入速率（10～100倍以上）、更低的接入延迟、更广泛深入的通信覆盖以及更优的能量和频谱效率，使得天线和射频（RF）系统的材料、工艺、技术及形式不断演进。现阶段天线和射频系统有如下几个重要发展趋势：
1. 向高频段发展
2. 新材料、超材料应用
3. 信道特性的演进
4. 测量技术的变革
可见，未来移动通信中的天线系统正面临前所未有的诸多挑战，天线系统性能的提高无疑将为提升无线通信系统的整体性能插上翅膀。
在此背景下，中国工程院院刊《信息与电子工程前沿（英文）》（FITEE）特组织并刊发了“后5G与6G天线系统技术演进与创新”专刊。该专刊涵盖天线、无源和有源器件及系统、传播和信道以及材料和算法等方面，频率涵盖6 GHz乃至太赫兹。专刊旨在回顾天线相关技术发展现状，明确未来发展趋势。经过严格评审，最终筛选出13篇文章，其中包括7篇综述文章、4篇研究论文以及2篇通讯文章。

Review Articles

Review Article: Microwave metamaterials: from exotic physics to novel information systems

Rui-yuan Wu, Tie-jun Cui

DOI: 10.1631/FITEE.1900465 Downloaded: 2572 Clicked: 5760 Cited: 0 Commented: 0(p.4-26) <Full Text> <PPT> 1665

Chinese summary <139> 电磁超材料:从新物理现象到新信息系统

吴瑞元^1,2，崔铁军^1,2
¹东南大学毫米波国家重点实验室，中国南京市，210096
²东南大学无线通信技术协同创新中心，中国南京市，210096

摘要：由于对电磁波强大的调控能力，超材料和超表面吸引了越来越多研究者的关注。本文回顾总结近年来电磁超材料的发展，从最初的新物理现象到现在的新信息系统。首先展示等效媒质超材料的定义和应用，包括隐身衣和超材料透镜等。随后介绍二维超材料，即电磁超表面，对空间波和表面波的调控功能，同时概述表面等离子激元及其在微波段的应用。在此基础上，着重介绍新颖的数字编码超材料和可编程超材料，统称信息超材料。通过将理论层的信息科学与物理层的超材料设计联系在一起，实现一系列新型器件和系统，同时实现信息和电磁波调控。最后，对超材料的未来发展做出展望。

关键词组：超材料；等效媒质理论；超表面；表面等离子激元；数字编码；可编程；信息

Review Article: Dispersion-engineered wideband low-profile metasurface antennas

Wei E. I. Liu, Zhi Ning Chen, Xianming Qing

DOI: 10.1631/FITEE.1900473 Downloaded: 4235 Clicked: 6431 Cited: 0 Commented: 0(p.27-38) <Full Text> <PPT> 2073

Chinese summary <116> 基于色散可调超构表面的宽带低剖面天线研究综述

刘炜¹，陈志宁¹，卿显明²
¹新加坡国立大学电气与计算机工程系，新加坡，117583
²新加坡资讯通信研究所，新加坡，138632

摘要：超构表面支持传播导波和表面波，并表现出新颖的色散特性。通过调控其独特的色散特性、设置特殊的边界条件以及选用合适的激励机制，低剖面的超构表面天线也能激励起多个邻近的谐振模式以实现宽带定向辐射。本文首先介绍3类典型宽带低剖面色散可调超构表面天线及其工作原理，接着详细综述色散可调超构表面天线技术的研究进展，重点讨论小型化、圆极化、波束扫描等应用设计。这种新近发展的色散可调超构表面技术，不仅能为宽带低剖面天线设计提供解决方案，更显示其在新型天线技术研发中的巨大潜力。

关键词组：超构表面天线；色散调控；复合左右手色散特性；导波；表面波；宽带；低剖面

Review Article: Channel measurements and models for 6G: current status and future outlook

Jian-hua Zhang, Pan Tang, Li Yu, Tao Jiang, Lei Tian

DOI: 10.1631/FITEE.1900450 Downloaded: 3496 Clicked: 5985 Cited: 0 Commented: 0(p.39-61) <Full Text> <PPT> 2199

Chinese summary <57> 面向6G的信道测量与建模：现状与展望

张建华，唐盼，于力，姜涛，田磊
北京邮电大学网络与交换国家重点实验室，中国北京市，100876

摘要：随着5G在全球范围内商业化进程的推进，为满足未来更高速率、更低延迟和新业务的需求，面向6G的研究已经启动。无线信道是收发两端信息传输的通道，无线信道的特性决定了无线通信系统的性能限。因此，关于信道的研究是6G无线通信系统研发的基础性研究。本文首先介绍了6G可能出现的技术和应用，包括太赫兹通信、工业互联网、空天地一体化网络和机器学习，并指出6G信道模型面临更高频率、更大带宽和超大规模天线阵列、多样化场景进一步扩展的挑战。其次，针对这些技术和应用，综述了目前太赫兹信道、工业互联网信道、空天地信道的测量与建模，以及基于机器学习和三维环境重构的智能化建模4个方面的研究进展。最后，面向未来，展望了上述4个方面有待深入研究的问题。

关键词组：信道测量；信道建模；6G；太赫兹；工业互联网；空天地一体化网络；机器学习

Review Article: Decoupling methods of MIMO antenna arrays for 5G applications: a review

Xiao-xi Zhang, Ai-di Ren, Ying Liu

DOI: 10.1631/FITEE.1900466 Downloaded: 2849 Clicked: 5952 Cited: 0 Commented: 0(p.62-71) <Full Text> <PPT> 1852

Chinese summary <106> 5G应用下的MIMO阵列天线去耦方法综述

张晓曦^1,2，任爱娣¹，刘英¹
¹西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，中国西安市，710071
²南特大学综合理工学院电子与数字技术系，法国南特，44306

摘要：多输入多输出（MIMO）技术是未来通信的关键技术，它可以有效增加信道容量。对于未来的第五代（5G）终端，在紧凑的尺寸内实现理想隔离度仍具有挑战性。为取得可接受的隔离度，众多学者已开发许多去耦方法。本文回顾有关去耦方法的最新研究，包括增加去耦结构、使用正交模式和减小地板影响，并讨论5G智能手机中MIMO阵列天线的发展趋势。

关键词组：MIMO阵列；5G手机；去耦方法

Review Article: Energy-efficient power amplifiers and linearization techniques for massive MIMO transmitters: a review

Xin Liu, Guan-sheng Lv, De-han Wang, Wen-hua Chen, Fadhel M. Ghannouchi

DOI: 10.1631/FITEE.1900467 Downloaded: 4322 Clicked: 6315 Cited: 0 Commented: 0(p.72-96) <Full Text> <PPT> 2000

Chinese summary <80> 面向大规模MIMO系统的高效功率放大器及其线性化技术综述

刘昕¹，吕关胜¹，王德涵¹，陈文华¹，Fadhel M. GHANNOUCHI^1,2
¹清华大学电子工程系，中国北京市，100084
²卡尔加里大学电气与计算机工程系，加拿大艾伯塔省卡尔加里市，T2N1N4

摘要：为适应数据传输速率的爆炸性增长以及大规模多输入多输出（mMIMO）技术的应用，业界开发了高效率功率放大器(PA)和相关线性化技术。本文根据5G系统的两个核心频段—sub-6 GHz和毫米波（mmWave）—的特点，对高效率集成化的Doherty功放单片微波集成电路（MMIC）和线性化技术进行了综述，比较和分析了不同半导体工艺和架构下的高效功放设计思路。由于5G协议尚未最终确定，大规模MIMO系统中的功放规范仍在考虑中，有必要研究新的设计方法以进一步提高其效率和线性性能。此外，数字预失真线性化技术需要发展，以适应大规模MIMO系统，并且需要一些创新的线性增强技术来同时提高补偿精度和降低功耗。

关键词组：高效节能；线性化；大规模多输入多输出（mMIMO）；单片微波集成电路（MMIC）；功率放大器

Review Article: Analysis and design of transformer-based CMOS ultra-wideband millimeter-wave circuits for wireless applications

Yi-Ming Yu , Kai Kang

DOI: 10.1631/FITEE.1900491 Downloaded: 2688 Clicked: 6059 Cited: 0 Commented: 0(p.97-115) <Full Text> <PPT> 1960

Chinese summary <76> 基于变压器CMOS超宽带毫米波电路分析与设计综述

余益明，康凯
电子科技大学电子科学与工程学院，中国成都市，611731

摘要：近年来，由于大量毫米波无线应用的产生，具有更强通用性的宽带毫米波电路和系统引起广泛关注。总结了4种基于片上变压器结构超宽带毫米波电路的理论分析、设计方法和综合性能。其一为毫米波低噪声放大器，采用基于变压器的跨导增强和极点调谐技术；通过采用这两种技术，该电路同时实现了较大工作带宽、低噪声系数和良好功率增益。其二为毫米波注入锁定三倍频器，采用注入电流增强技术，有效拓展了倍频器的锁定带宽。进一步，采用类似注入锁定技术结合变压器高阶谐振腔方案，实现了一款超宽带毫米波注入锁定分频器。最后，介绍了一款E波段上混频器，其采用两路跨导并联结构和基于变压器的多极点负载，实现了优异线性度和较大工作带宽。

关键词组：硅基集成电路；毫米波；超宽带；变压器；低噪声放大器；倍频器；分频器；混频器

Review Article: Filtering antennas: from innovative concepts to industrial applications

Yun-fei Cao, Yao Zhang, Xiu-yin Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1900474 Downloaded: 2708 Clicked: 5955 Cited: 0 Commented: 0(p.116-127) <Full Text> <PPT> 1958

Chinese summary <101> 滤波天线：从创新概念到工业应用

曹云飞，张垚，章秀银
华南理工大学电子与信息学院，中国广州市，510641

摘要：滤波天线兼具滤波和辐射功能，可用于减少不同频带、距离较近的天线单元间的异频耦合。本文回顾论文作者提出的几款滤波天线和3个相关的双频基站天线阵列作为应用示例。滤波天线设计包括单极化和双极化滤波贴片天线、单极化全向滤波偶极子天线及用于基站的双极化滤波偶极子天线。不同于其他天线，本文中的滤波天线是具有消除多余滤波电路的创新概念。对于每种设计，滤波结构都与辐射体或馈电线良好集成。故提出的设计具有尺寸紧凑、结构简单、带内辐射性能良好、损耗低的优点，且不包含复杂滤波电路。基于提出的滤波天线，已开发出单极化和双极化双频天线阵列。利用滤波天线自身的频率选择功能，可有效降低不同频段天线单元间的异频互耦。相比于典型工业产品，双频阵列性能更佳。一些提出的技术已实现产业化应用。

关键词组：滤波天线；双频；天线阵列

Research Articles

Analysis and design of novel wideband and high efficiency millimeter-wave antenna arrays for 60-GHz applications

Kai-lai Wu, Yuan Yao, Xiao-he Cheng, Jun-sheng Yu, Tao Yu, Xiao-dong Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1900461 Downloaded: 2803 Clicked: 6281 Cited: 0 Commented: 0(p.128-143) <Full Text> <PPT> 2298

Chinese summary <80> 适用于60 GHz应用的新型宽带高效毫米波天线阵列分析和设计

邬开来¹，姚远¹，程潇鹤¹，俞俊生¹，于韬²，陈晓东³
¹北京邮电大学电子工程学院安全生产智能监控北京市重点实验室，中国北京市，100876
²东京工业大学电气与电子工程系，日本东京市，152-8552
³伦敦大学玛丽女王学院电子工程与计算机科学学院，英国伦敦市，E14NS

摘要：提出一种适用于60 GHz应用且具有灵活设计的毫米波天线阵列。通过简单地改变天线阵列的辐射部分，可将天线阵列调整为线极化或圆极化。通过采用低插入损耗馈电网络和宽带天线单元，可实现高增益、宽带和高辐射效率特性。对于线性极化天线阵列，仿真结果表明，2×2天线子阵列的阻抗带宽达到21.6%，最大增益达到15.1 dBi，并且在工作带宽内波动小于0.4 dBi。对于8×8线极化天线阵列，仿真结果显示带宽为21.6%，增益为(26.1±1) dBi，天线效率超过80%。对于8×8圆极化天线阵列，仿真结果表明，阻抗带宽为18.2%，轴比（AR）带宽为13.3%。增益和效率分别达到27.6 dBi和80%。同时进行了天线阵列实物加工测试，并比较和分析结果。

关键词组：60 GHz；天线阵列；线极化；圆极化；毫米波

Miniaturized Rotman lens with applications to wireless communication

Bao-hua Sun, Qiu-yan Liang, Gao-nan Zhou

DOI: 10.1631/FITEE.1900501 Downloaded: 2547 Clicked: 5693 Cited: 0 Commented: 0(p.144-158) <Full Text>

Chinese summary <84> 微型罗特曼透镜在无线通信中的应用

孙保华，梁秋艳，周高楠
西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，中国西安市，710071

摘要：罗特曼透镜是一种具有实时延迟特性、多波束性能和宽带等优点的波束成形网络，在当今无线通信系统中得到广泛应用。然而，在无线通信系统中，传统罗特曼透镜尺寸相当大，可能会影响其与基站天线的集成。介绍3种微型化罗特曼透镜技术（切比雪夫阻抗变换器、功率分配器和带能量分配槽的截断端口）设计透镜，减小端口尺寸，从而减小罗特曼透镜所占总面积。仿真和测量结果表明，该方法可实现透镜主体与馈线之间良好的阻抗匹配。利用该带能量分配槽的截断端口，可大大减小罗特曼透镜尺寸，同时不降低透镜性能或增加生产成本。此外，研究了该微型罗特曼透镜在无线通信系统中两种可能的应用。罗特曼透镜不仅可沿阵列端口提供多个相位差信号实现多波束，还可生成平顶辐射等高性能成形波束。

关键词组：罗特曼透镜；微型化；多波束；波束形成器；无线通信

Optimal design of a large dual-polarization microstrip reflectarray with China-coverage patterns for satellite communications

Gang Zhao, Yong-chang Jiao, Guan-tao Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1900496 Downloaded: 2475 Clicked: 7136 Cited: 0 Commented: 0(p.159-173) <Full Text> <PPT> 1834

Chinese summary <74> 卫星通信大型双极化中国版图赋形微带反射阵天线的优化设计

赵钢，焦永昌，陈官韬
西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，中国西安市，710071

摘要：设计了一款具有中国版图赋形的大型双频双极化微带反射阵天线。为充分补偿两个频段范围内的空间相位延迟差，采用一种适用于大型双极化反射阵的3层矩形贴片单元。由于赋形区域形状复杂、赋形增益要求很高，该反射阵天线单元数量超过25 000个，优化变量数超过150 000个，导致其设计非常困难。本文首先通过离散快速傅里叶变换及其逆变换建立口径场和远场的一一对应关系，为赋形反射阵天线的优化奠定基础。进而采用基于交替投影的交集方法，优化获得多个典型频率下所有单元的目标反射相位。为避免优化过程陷入局部极值点，采用一种产生合适初始解的新方法。为验证设计方法的有效性，制作了一个7569单元的双极化反射阵天线并进行实验测试。测试与仿真结果吻合良好。为使宽带工作的大型反射阵天线带宽范围的空间相位延迟极小化，提出一种确定馈源最佳位置的方法。为在两个相互正交方向上同时找到单元的最优尺寸，建立一种新的优化模型，通过正多面体优化方法进行优化计算。最后，设计了一款覆盖中国陆地版图的单元数为25 305的双频双极化微带反射阵天线。仿真结果表明，该反射阵天线在两个工作频带范围内均可满足中国版图覆盖要求，证明所提出的复杂赋形波束大型反射阵天线优化设计方法可靠和有效。

关键词组：反射阵；双极化；赋形波束；限相位综合

Integrated 60-GHz miniaturized wideband metasurface antenna in a GIPD process

Hai-yang Xia, Jin-can Hu, Tao Zhang, Lian-ming Li, Fu-chun Zheng

DOI: 10.1631/FITEE.1900453 Downloaded: 2645 Clicked: 5871 Cited: 0 Commented: 0(p.174-181) <Full Text> <PPT> 2010

Chinese summary <76> 基于玻璃集成无源器件工艺的60-GHz小型化宽带超表面天线

夏海洋^1,2，胡金灿^1,2，张涛^2,3，李连鸣^1,2，郑福春^1,2
¹东南大学信息科学与工程学院移动通信国家重点实验室，中国南京市，210096
²紫金山实验室，中国南京市，211111
³西安电子科技大学微电子学院，中国西安市，710071

摘要：提出一种面向封装天线应用的60-GHz小型化宽带超表面天线。基于玻璃集成无源器件制造技术，采用共面波导馈电环形谐振器表征玻璃基板的材料特性。该天线于高介电常数玻璃基板上设计以实现天线小型化。在TM10模式下，贴片单元之间的间隙使该天线贴片辐射孔径得以减小。该天线在结构上采用共面波导馈电，进而激励蝶形缝隙，最终耦合激励位于天线上表面的超表面贴片。该天线可同时支持TM10模和反相TM20模，从而提升带宽性能。经过设计、优化及加工，该天线的辐射贴片尺寸为0.31λ₀×0.31λ₀，厚度为0.06λ₀。采用基于探针结构的天线测量装置完成该天线测试，测试结果显示天线带宽为53.3—67GHz。在60 GHz频点处，该天线增益测量值约为5 dBi。

关键词组：60 GHz；封装天线；共面波导馈电环形谐振器；玻璃集成无源器件；超表面天线；小型化天线

Correspondences

Correspondence: MIMO handset antenna for 5G/WLAN applications

Yong Cheng, Jing Lu, Bing-qing Sheng

DOI: 10.1631/FITEE.1900478 Downloaded: 2316 Clicked: 5758 Cited: 0 Commented: 0(p.182-187) <Full Text> <PPT> 1676

Chinese summary <85> 应用于5G/ WLAN频段的MIMO手持天线

程勇，卢菁，盛冰清
南京邮电大学电子与光学工程、微电子学院，中国南京市，210023

摘要：提出一种用于便携式终端的多输入多输出（MIMO）天线。手持终端天线的工作频带为5G（3.4–3.8 GHz）和WLAN（5.150–5.925 GHz）。5G和WLAN频段的天线单元交错放置，尽量保证同频单元间距离较远，以减少天线元件间的耦合。所有天线元件回波损耗均大于6 dB。所有元件间隔离度大于14 dB。高频天线辐射效率大于50%，低频天线辐射效率大于40%。所有元件远场增益大于2.2 dBi。

关键词组：第五代通信系统（5G）；手持天线；MIMO天线；去耦技术

Correspondence: 5G evolution promoting innovation of antenna systems

Feng Gao, Peng Gao, Wen-tao Zhu, Chen-xi Zhang, Xian-kun Meng, Run-hong Shan

DOI: 10.1631/FITEE.1900561 Downloaded: 2447 Clicked: 5789 Cited: 0 Commented: 0(p.188-194) <Full Text> <PPT> 1754

Chinese summary <91> 5G演进推动天线系统创新

高峰¹，高鹏¹，朱文涛¹，张晨曦¹，孟宪坤¹，单润红²
¹中国移动通信集团设计院有限公司，中国北京市，100080
²中国版权保护中心，中国北京市，100050

摘要：介绍第一代（1G）到第五代（5G）移动通信系统及其天线系统的基本概念、背景和发展历程。阐明5G组网和天线系统优化要求，并介绍三维阵列天线基本原理。提出大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列权值优化方法，并进行仿真验证。最后，提出解决5G天线系统功耗问题的几点建议。

关键词组：第五代通信系统（5G）；大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列；功耗；权值优化