增强未来5G蜂窝网络的陶瓷性能

社会严重依赖无线通信。许多人至少有一部手机；事实上，使用中的手机数量超过了地球目前的人口数量。预测显示，在五年内，将有超过40亿台额外的设备连接到蜂窝网络。因此，数据流量将会增长，导致当前4G网络的拥塞。为了缓解这个问题，世界正在转向第五代(5G)移动通信，但这将需要对天线系统进行重大改变。电气工程师和博士候选人Teun van den Biggelaar开发了一种基于相控阵方法的天线系统，允许在5G网络上进行可靠的通信。Teun于11月11日在TU/e获得了博士学位。

 

最近几个月，您很可能听说过与我们未来通信网络的进步相关的术语5G。但是5G到底是什么呢？

 

“以前的蜂窝网络是‘一个系统适合所有人’的解决方案。5G是移动通信因为不同的频带可以用于不同的应用。“在欧洲，这些频段约为700兆赫、3.5千兆赫和26千兆赫，”范登·比格拉尔说每个乐队都有自己的功能和含义。在由巴特·斯莫尔德斯教授领导的德州大学电磁学组，我们专注于26千兆赫波段的5G网络，通常被称为5G毫米波频带。"

 

这个毫米波频段提供了很大的带宽，并允许非常高的数据速率。与4G相比，数据速率可以提高10到100倍。

 

5G通信范围缩小

 

开发5G毫米波频段是有代价的:5G毫米波频率的通信范围远低于4G频率，因为5G毫米波频率更容易被树木和建筑物等物体阻挡。这种通信范围的缩小可以通过安装更多的基站来解决，与4G网络中使用的小区相比，这将允许在5G毫米波网络中使用更小的小区。补偿这些损失的另一个措施是通过使用相控阵系统来增加天线系统的所谓增益。

 

开发5G相控阵系统

 

4G系统中使用的典型天线增益相对较低，这意味着其辐射不会聚焦在一个特定的方向。如果在一个天线阵列中使用多个天线，会产生一个干扰模式，然后辐射可以聚焦在一个方向上。这导致系统具有更大的天线增益，克服了与5G毫米波段相关的增加的损耗。通过以智能的方式调整每个天线元件的信号，辐射的方向甚至可以改变，并且可以用来跟踪移动的用户。

 

这种相控阵系统最有可能用于5G蜂窝网络。为了他的博士研究，范登·比格拉尔开发了5G天线系统与奈梅亨的恩智浦半导体合作。

 

天线系统的特性

 

“天线系统符合标准开发组织和政府机构制定的法规对于确保可靠性至关重要通信和减轻健康风险，”范·登·比格拉尔指出因此，准确描述天线系统的特性非常重要。"

 

传统4G基站中的天线和电子设备可以分别设计和表征。在5G毫米波频率下，这是不切实际的，因为单个天线元件非常小，并且通常高度集成。Teun与美国国家标准与技术研究所(NIST)合作，开发了精确表征5G毫米波(集成)的方法触角系统。这些方法导致更少的测量误差和不确定性，这将最终提高未来5G蜂窝网络的可靠性。由于这些方法也适用于更高频率的应用，范·登·比格拉尔的工作也可以应用于6G移动通信。