【導(dǎo)讀】提出了一種5G 毫米波有源陣列封裝天線。該陣列由8×16 個微帶天線單元組成，通過耦合式差分饋電，天線實(shí)現(xiàn)了寬帶匹配和方向圖高度對稱特性。通過對天線與芯片進(jìn)行合理布局，減小了芯片射頻端口到天線子陣的饋電線損，提高了有源陣列天線的整體效率。測試結(jié)果表明，該陣列天線在工作頻段為24．25～ 27．5 GHz 的等效全向輻射功率( Equivalent Isotropic Ｒadiated Power，EIＲP) 大于60 dBm，并且陣列波束掃描至±30°、±60°時的增益下降分別不超過0．6 dB、4．1 dB，具有良好的寬角度波束掃描特性。
引言
5G 移動通信技術(shù)可以為用戶提供更高速率的網(wǎng)絡(luò)接入、更低延遲的響應(yīng)速度、超大容量的無線設(shè)備連接數(shù)等高質(zhì)量體驗。相比已經(jīng)商用的Sub-6 GHz頻段，毫米波頻段頻譜資源豐富，可以滿足大帶寬的熱點(diǎn)區(qū)域等應(yīng)用場景。此外，毫米波通信低時延的特性利于在工業(yè)領(lǐng)域構(gòu)建完整的工業(yè)互聯(lián)，大幅提高制造業(yè)的生產(chǎn)及管理效率和產(chǎn)品制造可靠性。
在5G 毫米波系統(tǒng)中，大規(guī)模陣列天線的設(shè)計以及封裝天線與芯片一體化集成是兩大關(guān)鍵技術(shù)。一方面，基于5G 技術(shù)提出的高速率、低延遲、更好的鏈路健壯性等要求，毫米波頻段的大規(guī)模相控陣天線為基站與移動設(shè)備間的寬帶通信鏈路提供了一個很好的解決方案。例如，部署于建筑物上的5G 毫米波微基站與移動設(shè)備進(jìn)行高速率通信，5G 核心網(wǎng)的大帶寬、高速率回傳等。另一方面，在毫米波頻段，天線本身及相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗不容忽視，傳統(tǒng)的分離天線的饋電網(wǎng)絡(luò)的電長度較長，會額外帶來過大的、不必要的損耗。針對這個問題，采用封裝天線( AiP) 的方案可以提高電路輸出功率、減小路徑損耗和提升天線系統(tǒng)的電磁可靠性。
早在2001 年，南洋理工大學(xué)以及喬治亞理工學(xué)院封裝研究中心分別提出了將天線集成于封裝的設(shè)計。2018 年，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Ｒebeiz教授團(tuán)隊發(fā)表了用于5G 毫米波通信的單極化相控陣收發(fā)信機(jī)，該相控陣由64 個天線單元組成，波束可在H 面進(jìn)行±50°掃描，天線陣列的等效全向輻射功率( EIＲP) 達(dá)到52 dBm。2019 年，日本電氣公司設(shè)計了用于5G NＲ 的相控陣封裝天線，該方案采用8個封裝天線單元可實(shí)現(xiàn)在±50°范圍內(nèi)進(jìn)行波束掃描。
此外，國內(nèi)許多學(xué)者也提出了幾款相控陣天線設(shè)計，但其性能仍有較大提升空間。基于上述背景，本文提出了一種具有寬角掃描和低交叉極化特性的5G 毫米波有源陣列封裝天線。該陣列采用一驅(qū)二天線子陣設(shè)計減少了芯片使用數(shù)量，基于多層PCB 工藝實(shí)現(xiàn)了天線與芯片的整體封裝設(shè)計，降低加工成本，并通過大規(guī)模陣列封裝天線和波束賦形芯片( Beamforming Chip) 實(shí)現(xiàn)了高增益、水平面±60°寬角掃描的特性，具有良好的應(yīng)用前景。
1 天線子陣的設(shè)計
1．1 天線子陣結(jié)構(gòu)
本文提出了一種8×16 有源陣列封裝天線，其工作在5G 毫米波頻段24．25 ～ 27．5 GHz、增益大于2 4 dBi，并且可在水平面和垂直面分別進(jìn)行±60°、±15°波束掃描。本節(jié)首先研究寬帶寬波束天線子陣的設(shè)計。為了在滿足天線陣列波束掃描范圍的同時，盡可能地減少有源陣列天線所需波束賦形芯片數(shù)量，降低整機(jī)設(shè)計成本及整體走線布局復(fù)雜度，本文采用一驅(qū)二天線子陣的布局方案。
圖1( a) 是一驅(qū)二天線子陣的三維分解圖。為了提高天線結(jié)構(gòu)及相應(yīng)方向圖的對稱性，使得有源陣列天線的掃描范圍也有良好的對稱性，可同時覆蓋+60°和－60°掃描，在天線單元饋電設(shè)計上采用了差分饋電方案。圖1( b) 中藍(lán)色的S 形線是差分饋電網(wǎng)絡(luò)，它通過半波長延長線來實(shí)現(xiàn)兩個輸出端口的180°相位差，分別連接到微帶天線的兩個饋電過孔進(jìn)行差分饋電。兩個天線的差分饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端口連接到一個具有兩個輸出端口的T 型功分器，功分器輸入端口處設(shè)置了仿真激勵端口。天線單元的兩個饋電過孔均連接到PCB 的第一層，給位于該層的45°放置的方形貼片進(jìn)行耦合饋電。與過孔直接連接到方形貼片的探針饋電形式相比，耦合饋電方式引入了額外的等效電容，可以在一定程度上抵消較長的垂直過孔的等效電感，從而拓寬天線的阻抗帶寬。
圖1 一驅(qū)二天線子陣的三維分解圖和俯視圖
1．2 天線子陣性能與分析
將一驅(qū)二天線子陣放在主從邊界下仿真，可有效模擬出在大規(guī)模陣列中子陣的輻射性能。圖2 為進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的一驅(qū)二天線子陣在主從邊界下的仿真結(jié)果。由圖可知，一驅(qū)二天線子陣在24． 25 ～27．5 GHz 頻段內(nèi)的反射系數(shù)S11均小于－15 dB，且天線的峰值增益約為6～7 dBi。
圖2 主從邊界下天線單元的反射系數(shù)S11及最大增益
圖3 為一驅(qū)二天線子陣在主從邊界下的仿真方向圖。由圖3( a) 可知，一驅(qū)二天線子陣在水平面的3 dB 波束寬度約為90°，6 dB 波束寬度約為130°，因此由該天線子陣組成的8×16 陣列可實(shí)現(xiàn)±60°掃描時增益下降不超過6 dB。由圖3( b) 可知，一驅(qū)二天線子陣在垂直面的3 dB 波束寬度約為58°，在角度為15°時增益下降不超過1 dB，因此組成陣列可以實(shí)現(xiàn)垂直面掃描±15°時增益下降不超過1 dB。
圖3 主從邊界下仿真的子陣方向圖
2 陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
2．1 有源陣列天線的整體架構(gòu)
本文設(shè)計的8×16 有源陣列天線包括8×16 天線陣列、用于控制各個天線子陣的饋電幅度和相位的波束賦形芯片、1 分16 威爾金森功分器及前端信號收發(fā)模塊等。圖4 是8×16 有源陣列天線射頻端的整體架構(gòu)圖，其中每個波束賦形芯片均有4 個收發(fā)通道，分別連接到4 個一驅(qū)二天線子陣的饋電線，可以通過芯片對每個通道的幅度和相位進(jìn)行獨(dú)立控制，靈活地調(diào)控天線陣列波束的指向、增益、旁瓣電平及等效全向輻射功率( EIＲP) 等指標(biāo)。每個芯片的射頻接口通過1 分16 威爾金森功分器進(jìn)行合路，最終合成一路總的射頻信號輸入/輸出端口。與采用很多通道數(shù)( 16 或32 個通道) 的大芯片方案相比，圖4 所示的相控陣天線架構(gòu)的優(yōu)勢在于，芯片與天線子陣的距離較近，從而每個芯片通道到天線子陣的饋電線損耗較小，并且芯片與每個天線子陣連接的饋電線具有很好的對稱性，減小了相控陣天線各通道的相位誤差，提高整個天線系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性。
圖4 8×16 有源陣列天線射頻端的整體架構(gòu)圖
2．2 1分16威爾金森功分器設(shè)計
圖5 是本文設(shè)計的1 分16 功分器的模型圖，該功分器的基本單元是一分二威爾金森功分器，兩個輸出端口間均連接了100 Ω 的隔離電阻，且輸入端口和輸出端口的阻抗均設(shè)計為50 Ω。圖中的藍(lán)色走線設(shè)計在PCB 的底層金屬層，為接地共面波導(dǎo)( GCPW) 結(jié)構(gòu); 紅色走線設(shè)計在PCB 的倒數(shù)第三層，為封裝帶狀線結(jié)構(gòu)。藍(lán)色走線與紅色走線的換層是通過類同軸垂直過孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，示意圖如圖6 所示。此外，走線的兩邊均設(shè)計了對稱的接地過孔，以避免平行板模式的激勵，減小功分器的插入損耗。
圖5 8×16 有源陣列天線的1 分16 功分器模型圖
圖6 陣列封裝天線的饋電網(wǎng)絡(luò)疊層示意圖
圖7 展示了1 分16 功分器的仿真結(jié)果，其中端口1、2、3 均為圖5 中標(biāo)注的對應(yīng)端口。由圖可知，功分器的輸入端口( 端口1) 的反射系數(shù)小于－15 dB，輸出端口( 端口2) 的反射系數(shù)小于－20 dB。由于對稱性，端口3的反射系數(shù)與端口2 的相同，因此未在圖中畫出。1 分1 6 功分器的插入損耗( S21) 約為13．4 dB，與1 分16 功分器的插入損耗理論值12 dB 相比多了1．4 dB，即該功分器引入了額外的1．4 dB 的損耗，這主要是由于引入了金屬損耗、介質(zhì)損耗和金屬線換層帶來的損耗。相鄰的兩個端口2、3 的隔離度( S23)大于20 dB，這表明該功分器具有較好的隔離度。
圖7 8×16 有源陣列天線的1 分16 功分器的仿真結(jié)果
3 有源陣列天線的實(shí)現(xiàn)及測試
3．1 8×16陣列天線的仿真
基于前文仿真設(shè)計的天線單元，本節(jié)將通過ANSYS HFSS 中的Finite Array 陣列仿真模塊進(jìn)行8×16 陣列整體性能的仿真驗證。圖8 為基于Finite Array 仿真的8×16 天線陣列模型圖，將一驅(qū)二天線子陣擴(kuò)展為一個8×16 天線陣列。
圖8 基于Finite Array 仿真的8×16 天線陣列模型圖
首先分析8×16 天線陣列在不掃描時的仿真結(jié)果。圖9 為8×16 天線陣列在不掃描時( 波束指向為θ0 = 0°) 各個單元有源反射系數(shù)的Smith 圓圖和直角坐標(biāo)圖，這些單元包括位于陣列中心、陣列角落以及靠近陣列角落的單元。其中位于陣列中心和角落附近的單元的有源反射系數(shù)與主從邊界單元仿真基本一致，這說明8×16 天線陣列中大部分天線單元“看到”的周圍邊界環(huán)境與無限大陣列中單元的邊界環(huán)境基本上相同。而少數(shù)位于天線陣列角落的單元的有源反射系數(shù)則由于陣列的邊緣效應(yīng)有所升高，而且通常情況下越靠近陣列邊緣的單元，有源反射系數(shù)升高得越多。從總體上看，陣列中所有單元的有源反射系數(shù)均小于－10 dB，滿足天線陣列的設(shè)計要求。
圖9 不掃描時8×16 天線陣列中各單元的有源反射系數(shù)
圖10 是8×16 天線陣列中位于中心的子陣與周圍各子陣的隔離度( S 參數(shù)) ，該子陣與在水平方向( x 方向) 相鄰的兩個子陣的耦合最強(qiáng)，如圖中實(shí)線所示，隔離度大于17．2 dB。位于中心的子陣與在垂直方向( y 方向) 相鄰的子陣和其他距離更遠(yuǎn)的子陣間的隔離度均大于25 dB。該結(jié)果表明本文設(shè)計的大規(guī)模陣列天線具有較好的同極化隔離度。
圖10 8×16 天線陣列的中心單元與周圍各單元的隔離度
圖11 為8×16 天線陣列在波束指向為θ0 = 0°時的增益以及水平面和垂直面的3 dB 波束寬度。由圖可知，天線陣列在24．25～27．5 GHz 工作頻段內(nèi)的增益為23． 9 ～ 24． 9 dBi，與上述基于有源單元方向圖計算的陣列增益基本一致。8×16天線陣列在水平面( φ= 0°) 的3 dB 波束寬度為12．5° ～14．2°，在垂直面( φ= 90°) 的3 dB 波束寬度為7° ～8°。
圖11 8×16 天線陣列在不掃描時的增益及3 dB 波束寬度
圖12 為天線陣列在中心頻率處的水平面0° ～60°掃描方向圖。當(dāng)天線陣列掃描至15°和30°時，天線的增益下降很小，不超過1 dB，很接近波束指向為0°時的增益，且旁瓣電平均在－13 dB 左右。當(dāng)天線陣列掃描至45°時，天線陣列的增益下降不超過3 dB，且旁瓣電平也在－13 dB 左右。當(dāng)天線陣列掃描至60°時，天線陣列的增益下降約為5 dB 左右，與前述通過有源單元方向圖推斷的掃描增益下降值基本一致。此外，天線陣列在掃描到60° 時的旁瓣電平比小角度掃描時的旁瓣電平稍高，為－8 dB 左右。綜上所述，該天線陣列具有良好的寬角度波束掃描特性及較低的旁瓣電平。
圖12 8×16 天線陣列在中心頻率25．875 GHz 的0° ～ 60°掃描方向圖
3．2 有源陣列天線的測試及分析
根據(jù)上述方案，加工了由控制電路、信號處理、波束賦形芯片、大規(guī)模陣列天線等模塊構(gòu)成的8×16有源陣列天線整機(jī)，并把該樣機(jī)置于毫米波暗室中進(jìn)行測試。圖13 展示了有源陣列天線整機(jī)實(shí)物和暗室測試環(huán)境，圖14 所示為天線陣列的測試方法。實(shí)測結(jié)果表明，該天線的等效全向輻射功率大于60 dBm，具有良好的輻射性能。
圖13 有源陣列天線整機(jī)及暗室測試環(huán)境
圖14 天線測試方法示意圖
圖15 是測試得到的8×16 有源陣列天線在中心頻率25．875 GHz 處的水平面0° ～ 60°波束掃描方向圖。當(dāng)有源陣列天線掃描至10°時，天線的增益最高，甚至略高于不掃描時的增益，這主要是由于陣列中的單元間存在互耦效應(yīng)，使有源單元方向圖產(chǎn)生了小幅波動，從而使天線陣列最大增益方向有所偏移。當(dāng)有源陣列天線掃描至30°時，具有較低的旁瓣電平，接近－10 dB，并且增益下降小于0．6 dB。當(dāng)掃描至60°時，天線陣列的增益下降不超過4．1 dB，這表明有源陣列天線在掃描至60°時仍能保持較低的增益下降水平，具有良好的寬角度掃描性能。
圖15 水平面波束掃描方向圖
圖16 是測試得到的8×16 有源陣列天線在中心頻率25．875 GHz 處的垂直面0° ～ 15°波束掃描方向圖。由圖可知，有源陣列天線在垂直面進(jìn)行0° ～ 15°波束掃描時，旁瓣電平均低于－10 dB，并且在掃描至15°時的增益下降不超過1．5 dB，這表明該陣列在垂直面也具有良好的寬角度波束掃描性能。
圖16 垂直面波束掃描方向圖
4 結(jié)論
本文完成了基于一驅(qū)二天線子陣的8×16 有源陣列封裝天線的仿真設(shè)計、加工和測試，利用耦合式差分饋電的微帶天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶、寬波束、方向圖對稱的良好性能。基于威爾金森功分器的饋電網(wǎng)絡(luò)保證了各個波束賦形芯片合路端具有良好的幅相一致性，從而保證了陣列良好的性能。實(shí)測結(jié)果表明，通過波束賦形芯片進(jìn)行幅相控制，有源陣列天線整機(jī)可以實(shí)現(xiàn)水平面±60°、垂直面±15°的寬角度掃描性能，等效全向輻射功率大于60 dBm。本文設(shè)計的5G 毫米波有源陣列天線具有良好的性能，在5G移動通信領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。
來源：微波學(xué)報；作者：姚樹鋒 李廣偉 楊圣杰 章秀銀
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