论文标题：A Single-Board Integrated Millimeter-Wave Asymmetric Full-Digital Beamforming Array for B5G/6G Applications

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.013

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东南大学洪伟教授团队在B5G/6G（后第五代/第六代移动通信）毫米波通信领域取得最新进展，成功研发出面向B5G/6G应用的单板集成毫米波非对称全数字波束成形（AFDBF）阵列。相关研究成果以“A Single-Board Integrated Millimeter-Wave Asymmetric Full-Digital Beamforming Array for B5G/6G Applications”为题发表于中国工程院院刊《Engineering》，博士生林庆庆为论文第一作者，洪伟教授、徐俊副教授为论文共同通讯作者。该研究创新性地解决了全数字阵列端口布局密集、系统集成复杂等核心难题，为B5G/6G毫米波通信的小型化、低成本、高效能应用提供了关键技术支撑。

毫米波通信的技术痛点与突破方向

毫米波频段凭借丰富的频谱资源和高可靠性优势，成为满足B5G/6G超高传输速率、大容量通信需求的核心技术方向。然而，毫米波技术在实际应用中面临三大关键挑战：一是器件尺寸小、设计密度高，导致阵列布局难度陡增；二是传统全数字波束成形（FDBF）阵列存在基带复杂、功耗高、成本昂贵的问题，难以适配小型化设备需求；三是混合波束成形（HYBF）、模拟波束成形（ABF）等方案虽成本较低，但移相精度不足、波束数量有限，无法满足B5G/6G多波束、高精度通信要求。

此前，行业内主流的波束成形技术中，ABF和HYBF阵列因实现简单曾广泛应用，但受限于性能瓶颈难以支撑下一代通信需求；传统FDBF阵列虽性能更优，却多采用“砖块式”堆叠结构，体积大、重量重，且端口数量随阵列规模激增，给单板集成带来巨大挑战。东南大学团队研发的AFDBF阵列，正是针对这些痛点，通过非对称结构设计与单板集成创新，实现了性能、成本与集成度的多重突破。

核心技术创新：非对称架构与单板集成的双重突破

该研究研发的AFDBF阵列在结构设计与集成方案上实现了两大核心创新，彻底改变了传统毫米波阵列的设计逻辑。

在结构设计上，AFDBF 阵列采用 “方形发射 + L形接收” 的非对称布局以平衡性能与成本，区别于传统对称全数字波束成形（SFDBF）阵列：发射（Tx）阵列为 8 × 8 单元正方形排列，共 64 个辐射单元；接收（Rx）阵列为 8 + 8 单元L形排列，共 16 个辐射单元。这种阵列规模及布局的非对称设计并非简单规模缩减，而是基于 B5G/6G 通信场景的精准优化——下行链路中，更大规模的 Tx 阵列可提供更高天线增益，支撑更远传输距离；上行链路中，L 形 Rx 阵列虽增益略有降低，但波束宽度显著增加，能覆盖更大空间范围，同时减少高成本模数转换器（ADC）使用数量，大幅降低系统硬件成本与功耗。实验数据显示，相同传输功率下，AFDBF 阵列与传统 SFDBF 阵列接收信号功率完全等效，实现 “性能不打折、成本降一半” 的效果；且相较于 HYBF 阵列，AFDBF 阵列天线孔径效率更高，仅需更少辐射单元即可达到相同等效全向辐射功率（EIRP），进一步凸显非对称架构优势。

图1（a）单板集成AFDBF阵列的示意图；（b）印制电路板叠层结构；（c）两种AFDBF阵列的示意图。LO：本地振荡器；BGA：球栅阵列封装。

在集成方案上，针对全数字阵列端口数量激增的难题，团队创新设计三维垂直连接结构，将 Tx 阵列、Rx 阵列、全数字芯片及传输线路全部集成于单块印制电路板（PCB）上，彻底摒弃传统 “砖块式” 堆叠结构。具体而言，阵列采用 16 层 PCB 叠层设计：底层放置四通道全数字 Tx/Rx 芯片，顶层布置辐射单元，芯片与辐射单元通过垂直金属化过孔实现信号连接；中频（IF）端口则通过共面波导（GCPW）传输线与 IF 连接器连接，确保所有通道信号传输路径等长，有效避免相位偏差。同时，团队优化天线单元设计，采用 45° 线极化背腔天线，通过 H 形缝隙耦合馈电与背腔结构，在 23.0–29.5GHz 频段内实现 28% 的 10dB 阻抗带宽，天线增益稳定在5dBi左右，且相邻单元耦合损耗低至 -13.5dB（27GHz频率下），既保证信号传输效率，又减少单元间干扰。

图2（a）45°线极化背腔天线的三维（3D）结构。贴片天线的宽度（Wp）为2.15 mm，背腔的宽度（Wi）为4.20 mm，H型缝隙的长度和宽度为L_s1 = 1.75 mm，L_s2 = 1.55 mm，W_s = 0.20 mm；馈电带状线的长度和宽度为L_f = 2.70 mm和W_f = 0.45 mm。（b）|S₁₁|的仿真结果和增益曲线。（c）24.0 GHz时的辐射方向图。（d）27.0 GHz时的辐射方向图。（e）29.5 GHz时的辐射方向图。Sim：仿真；X-pol：交叉极化；Co-pol：主极化。

性能实测：覆盖广、速率高、稳定性强

为验证AFDBF阵列的实际性能，团队在微波暗室环境下开展了全面的测试验证，结果显示该阵列在工作频段、波束扫描、传输速率等关键指标上均表现优异。

在工作频段与波束扫描性能方面，AFDBF 阵列有效工作频段为 24.25–29.50GHz，完全覆盖 B5G/6G 毫米波通信核心频段需求；波束扫描性能上，Tx 阵列中每个八单元线型子阵列在方位面与俯仰面均可实现 -47°~+47° 扫描范围，Rx 阵列实测扫描范围达 -45°~+45°，且整个扫描范围内旁瓣电平（SLLs）低于 -10dB，扫描损耗仅 3–4dB，保障广域覆盖稳定性。

图3 在27GHz工作频率下，波束方向图的实测与仿真对比。八单元发射阵列在xoz平面（a）、yoz平面（b）的扫描方向图；八单元接收阵列在xoz平面（c）、yoz平面（d）的扫描方向图。虚线代表仿真辐射方向图，实线代表实测辐射方向图。

传输性能测试中，该阵列展现卓越信号传输能力：28.0GHz 频率下，考虑功率饱和点时，八单元 Tx 阵列最大等效全向辐射功率（EIRP）达 43.2dBm，若扩展至64单元Tx阵列，理想条件下EIRP可提升至61.2dBm，能支撑200米以上有效通信距离；复杂调制信号测试中，采用 64-正交幅度调制（64-QAM）信号时，实测误差矢量幅度（EVM）仅 2.45%，远低于行业 5% 的性能阈值，实现 6Gbps 高速数据传输，充分满足 B5G/6G 高清视频、实时交互等大带宽应用需求。

图4 AFDBF发射阵列的误差矢量幅度（EVM）测试实验系统。（a）实物图；（b）原理图；（c）采用64-QAM调制信号，不同数据速率下的实测EVM及星座图；（d）在27 GHz工作频率下，分别使用200 Mbaud和400 Mbaud的64-QAM调制信号，发射阵列的实测EVM随EIRP变化曲线；（e）在xoz平面上八单元发射阵列在25 GHz、27 GHz、29 GHz的工作频率下，实测EVM随扫描角度变化曲线。Gbps：千兆比特每秒；DC：直流供电；AWG：任意波形发生器；R&S：罗德与施瓦茨设备。

此外，该阵列还具备优异能源效率与成本优势——相较于 HYBF 阵列，AFDBF 阵列的 RF通道数量更少，更适配基站、用户终端等不同应用场景。

行业价值：推动B5G/6G毫米波通信产业化落地

该研究成果不仅在技术层面突破毫米波阵列集成瓶颈，更在产业应用层面意义重大。一方面，其非对称架构与单板集成方案为 B5G/6G 毫米波通信设备小型化、低成本设计提供可复制技术范式，可直接应用于 5G-Advanced 基站、6G 终端、卫星通信等领域；另一方面，研究过程中形成的垂直互连、LO（本地振荡器）分配网络和背腔天线等关键技术也为毫米波通信产业链技术升级提供参考。

从行业发展看，随着 B5G/6G 通信技术加速推进，毫米波通信将成为实现 “空天地一体化” 通信、工业互联网高速互联的核心支撑。东南大学团队研发的 AFDBF 阵列通过性能与成本的平衡设计，有效解决毫米波技术从实验室走向产业化的关键障碍，有望推动我国在 B5G/6G 毫米波通信领域形成技术领先优势，助力相关产业链自主可控发展。

论文信息：

QingqingLin, JunXu, KaiChen, LongWang, WeiLi, ZhiqiangYu, GuangqiYang, JianyiZhou, ZheChen, JixinChen, XiaoweiZhu, WeiHong. A Single-Board Integrated Millimeter-Wave Asymmetric Full-Digital Beamforming Array for B5G/6GApplications. Engineering, 2024, 41(10):35-50. DOI: 10.1016/j.eng.2024.04.013

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