Terahertz (THz) communication is widely deemed the next frontier of wireless networks owing to the abundant spectrum resources in the THz band. Whilst THz signals suffer from severe propagation losses, a massive antenna array can be deployed at the base station (BS) to mitigate those losses through beamforming. Nevertheless, a large number of antennas increases the hardware complexity and circuit power consumption, and hence it can lead to poor energy efficiency (EE). To surmount this fundamental problem, we propose a novel array design based on coupled antenna pairs. Specifically, we exploit the mutual coupling between closely spaced antennas to form superdirective pairs. A unique property of them is that all require the same excitation amplitude, and therefore can be driven by a single radio frequency chain akin to conventional phased arrays. Moreover, they facilitate the implementation of multi-port impedance matching, which ensures maximum power transfer for any beamforming angle. After addressing the hardware-related problems of superdirectivity, we show that the number of BS antennas can be effectively reduced without sacrificing the achievable rate. Simulation results showcase that our design offers huge EE gains compared to uncoupled uniform linear arrays, and hence could be a radical solution for future THz systems.


翻译:Terahertz (Thz) 通信被广泛认为是无线网络的下一个前沿,因为Thz波段的频谱资源丰富。虽然Thz信号遭受了严重的传播损失,但可以在基地站部署一个巨大的天线阵列,以通过波束成形来减轻这些损失。然而,大量的天线增加了硬件的复杂性和电路消耗,从而可能导致能源效率低下。为了克服这一根本问题,我们提议了一个基于配对天线的新型阵列设计。具体地说,我们利用近距离天线之间的相互联动来形成超向性对子。它们的一个独特特性是,所有天线阵都要求同样的振动振动振动,因此可以由类似于常规分阶段阵列的单一无线电频率链来驱动。此外,这些天线阵有助于实施多端阻力匹配,确保任何波形角度的最大能量转移。在解决与硬件有关的问题后,我们表明BS天线的数目可以有效地减少,而不会牺牲可实现的速率。模拟的结果是,模拟结果显示我们的设计能够带来巨大的E- 直线阵列的解决方案,因此与不相向未来的系统相比,可以带来巨大的E- 直径等式解决方案。

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