面向 5G 應(yīng)用的相控陣天線設(shè)計(jì)

• 5G 中的相控陣天線

• 串聯(lián)饋電貼片陣列

• 平行貼片陣列

• 用于 5G 相控陣天線的 PCB

• 數(shù)組的數(shù)組

• 許多天線

• 貼片天線陣列的設(shè)計(jì)策略

• 替代類(lèi)型的天線和陣列

隨著 5G 的推出和研究人員繼續(xù)討論 6G，許多在 sub-GHz 和毫米波頻段運(yùn)行的支持 5G 的新產(chǎn)品正在進(jìn)入市場(chǎng)。將包括 5G 兼容前端的設(shè)備，無(wú)論是小型站/中繼器還是手持設(shè)備，都使用相控陣作為高增益天線系統(tǒng)，以提供高數(shù)據(jù)吞吐量，而不會(huì)丟失更高頻率的范圍。

最早類(lèi)型的相控陣天線是由 Ferdinand Braun 于 1905 年建造的。這個(gè)簡(jiǎn)單的天線陣列由三個(gè)獨(dú)立的單極天線組成，它們放置在一個(gè)等邊三角形中，中心是一個(gè)****。發(fā)送到其中一個(gè)天線的信號(hào)被延遲了四分之一波長(zhǎng)，這通過(guò)干擾加強(qiáng)了輻射模式的方向性。同樣的想法也用于貼片天線陣列，其中電路板上信號(hào)之間的延遲由移相器控制。

現(xiàn)在，隨著許多支持 5G 的組件進(jìn)入市場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員可以將天線陣列整合到封裝和 PCB 上。兩個(gè)重要的要求是可調(diào)諧性，其中天線的響應(yīng)頻率可以調(diào)諧或與寬頻率范圍兼容，以及波束成形，其中天線的輻射方向圖可以被定向。用于 5G 網(wǎng)絡(luò) GHz 頻率廣播的封裝和 PCB 中使用的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型印刷天線是微帶相控陣天線。我們將概述這些天線陣列是如何設(shè)計(jì)和放置在 PCB 中以用于 5G 系統(tǒng)的。

由于高損耗，毫米波頻率一直被視為不適合移動(dòng)設(shè)備之間的通信。與低頻相比，空氣散射和吸收對(duì)信號(hào)的衰減程度更大，因此****需要以更高的功率運(yùn)行以進(jìn)行補(bǔ)償，這使得 GHz 無(wú)線天線無(wú)法用于移動(dòng)設(shè)備中的遠(yuǎn)程通信。盡管毫米波頻率會(huì)衰減，但波束成形技術(shù)可用于聚焦從天線陣列發(fā)出的輻射。

當(dāng)在封裝或 PCB 上實(shí)施時(shí)，相控陣很可能是貼片天線陣列。當(dāng)多個(gè)貼片陣列排列成一組時(shí)，得到的相控陣天線可用于無(wú)線和雷達(dá)系統(tǒng)。這種類(lèi)型的天線由許多以球形或偶極輻射模式輻射的****組成。陣列中的每個(gè)天線必須具有特定的間距，以便提供所需的干擾，從而形成具有最小旁瓣生成的波束。

5G 系統(tǒng)的相控陣中使用了兩種類(lèi)型的貼片天線：串聯(lián)饋電貼片陣列和并聯(lián)貼片陣列。下面顯示了每種類(lèi)型的單個(gè)補(bǔ)丁數(shù)組，下表提供了這些數(shù)組的比較。

在為毫米波系統(tǒng)形成貼片陣列時(shí)，上面顯示的每組貼片基本上都充當(dāng)單個(gè)天線元件。這些天線陣列元件的多個(gè)一起排列在 PCB 上以提供整個(gè)相控陣。絕大多數(shù)情況下，用于 5G 系統(tǒng)的帶有相控陣的 PCB 或封裝將使用平行貼片天線陣列，原因如下所述。

這些天線可以在多個(gè)頻段運(yùn)行，包括 LTE 頻段以及超過(guò) 5 GHz 的更高頻段。更高的頻段包括 24.25-27 GHz 和 37-40 GHz，每個(gè)通道的帶寬為 50 至 400 MHz。美國(guó) FCC 最近開(kāi)放了更高的頻段，延伸至 64-71 GHz，歐洲、日本和中國(guó)也在使用類(lèi)似的頻段。在這些頻段中運(yùn)行需要適當(dāng)調(diào)整天線尺寸以在基本模式下支持這些頻率，我們將在下面討論。

如果您曾為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò) PCB，或者看過(guò)雷達(dá)參考設(shè)計(jì)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)串聯(lián)饋電貼片陣列是雷達(dá)中使用的標(biāo)準(zhǔn)天線元件。這樣做的原因是回波損耗和增益可以高度依賴于頻率，但它們?nèi)匀豢梢蕴峁拵挕Ｓ捎谶@些陣列本質(zhì)上是薄/寬傳輸線部分的交替部分，因此它們的增益頻譜因沿天線長(zhǎng)度所需的傳播匹配而與頻率相關(guān)。

典型的串聯(lián)饋電貼片陣列如下所示。

并行的貼片陣列如下所示。這種類(lèi)型的陣列通過(guò)沿饋線到每個(gè)天線元件的延遲匹配實(shí)現(xiàn)高增益。這意味著內(nèi)部元件可能需要饋線中的一些曲折或相移部分來(lái)提供所需的延遲匹配；這主要基于饋線長(zhǎng)度并且對(duì)頻率相對(duì)不敏感。目標(biāo)是確保進(jìn)入并聯(lián)陣列中每個(gè)元件的輸入信號(hào)在所有元件中保持同相。

并行貼片陣列還有兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1. 并聯(lián)陣列中的中央饋電點(diǎn)是一個(gè)功率分配器，它必須為并聯(lián)陣列中的所有貼片提供相等的功率

2. 有一個(gè)輸入過(guò)孔，可以從電路板背面的收發(fā)器或內(nèi)層饋線接收信號(hào)；它不得在工作頻率下產(chǎn)生阻抗失配

最有可能的是，每個(gè)貼片與其饋線之間會(huì)有一些阻抗變壓器部分，以確保陣列的最大功率傳輸和輻射效率。下面顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的平行微帶貼片天線陣列的示例。

對(duì)此的一種變體是串聯(lián)陣列的并聯(lián)組。這提供了具有旁瓣減少的頻率依賴性優(yōu)勢(shì)，以及通過(guò)疊加獲得的高增益。然而，饋線中有多個(gè)功率分配器部分，它們有自己的阻抗變壓器部分，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)這些部分，以確保整個(gè)陣列的相移一致。

在 PCB 上，相控陣天線包含多個(gè)以特定幾何形狀放置的輻射元件。每個(gè)元件都連接到延遲線或移相器，每個(gè)天線的輻射模式之間的干涉形成低發(fā)散的波束。通過(guò)將發(fā)送到每個(gè)天線的信號(hào)延遲設(shè)定值，將上述貼片陣列布置形成相控陣。由于支持 5G 的系統(tǒng)需要更多的天線來(lái)提供更高的增益/分辨率，因此天線放置會(huì)占用 PCB 上的大量空間。

在 5G 系統(tǒng)中，有兩種方法可以形成完整的相控陣：

• 來(lái)自離散貼片天線的組合

• 來(lái)自平行陣列的組合

離散陣列元素（貼片或平行陣列）的數(shù)量將決定陣列在給定虛擬陣列的情況下的總可用增益，以及通過(guò)波束成形/多路復(fù)用可以支持的最大用戶數(shù)。

形成相控陣的關(guān)鍵是強(qiáng)制相位匹配。當(dāng)單個(gè)收發(fā)器用于相控陣中的所有元件時(shí)，只需對(duì)天線組內(nèi)以及所有天線組中的饋線進(jìn)行長(zhǎng)度匹配，即可確保設(shè)計(jì)同相。該示例顯示了在通向四個(gè)串聯(lián)饋電貼片陣列的饋線上使用長(zhǎng)度調(diào)整強(qiáng)制實(shí)施的相位匹配。

支持 5G 的智能手機(jī)可以包含 6 到 10 個(gè)獨(dú)立的貼片陣列元件，以確保設(shè)備在操作過(guò)程中無(wú)論以何種方式握持都可以傳輸。小蜂窩中較大的支持 MIMO 的****機(jī)可以使用多個(gè)離散貼片或多個(gè)并行陣列。支持 5G 的相控陣中的每個(gè)元件通常放置有一條穿過(guò)電路板背面的饋線。一個(gè)例子如下所示。

用于 5G 應(yīng)用的貼片天線設(shè)計(jì)作為相控陣

在此示例中，波束成形收發(fā)器控制著 8 個(gè)離散貼片天線。它還可用于控制多個(gè)貼片陣列。這些波束形成器模塊可用作 IC，可用于控制波束轉(zhuǎn)向角。類(lèi)似的策略用于封裝天線設(shè)計(jì)。就像帶有串聯(lián)饋電貼片天線的相控陣一樣，元件間距將決定波束形成能力和視角。

如上所述，隨著電信公司推動(dòng)毫米波部署，人們有更大的動(dòng)力繼續(xù)增加天線數(shù)量。更多的天線等同于更多的增益和減少的旁瓣干擾，因?yàn)?***的波束具有更高的分辨率。

當(dāng)我們有大量收發(fā)器需要跨多個(gè)天線和/或多個(gè)子陣列進(jìn)行相位匹配時(shí)，情況會(huì)更加困難。在這種情況下，參考振蕩器或參考時(shí)鐘必須分布在所有收發(fā)器元件上，以在某個(gè)時(shí)序窗口內(nèi)實(shí)施相位匹配。在這種情況下，參考時(shí)鐘必須在一層布線，而饋線在另一層運(yùn)行。然后需要對(duì)參考振蕩器分布中的所有跡線進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)整，以確保一致的時(shí)序。下面顯示了一個(gè)大型補(bǔ)丁陣列陣列的示例層排列。

貼片天線陣列的策略對(duì)于實(shí)現(xiàn) MIMO 功能的毫米波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是典型的：

1. 選擇您的工作頻段并了解您的帶寬

2. 根據(jù)所需的虛擬陣列確定 PCB 或封裝上的天線布局拓?fù)?/p>

3. 確定天線元件的大小并確定與您的工作頻率匹配的部分

4. 檢查貼片陣列輸入點(diǎn)的 S11 值以驗(yàn)證帶寬

5. 將補(bǔ)丁排列在更大的陣列中

上面概述的設(shè)計(jì)策略和天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是雷達(dá)和 5G 等毫米波應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，但它們可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展到 6G 架構(gòu)中，在毫米波頻段中運(yùn)行良好。目前，當(dāng)前 5G 部署中較低的工作頻率需要物理上更大的天線來(lái)提供高廣播功率，從而在更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)提供高增益。隨著新的推出和最終 6G 推高工作頻率，這些天線的物理尺寸可以減小。

天線尺寸的減小允許在給定區(qū)域中放置更多天線，從而增加輸出波束的可用增益和分辨率。然而，最終，陣列中天線元件之間的相位匹配條件變得不可縮放。混合波束成形被認(rèn)為是克服超大型陣列中可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)的一種方法。

另一種類(lèi)型的陣列將串聯(lián)和并聯(lián)貼片組合成一個(gè)獨(dú)特的陣列，如下所示。下面的示例在拓?fù)渖系刃в诠ぷ髟?10 GHz 的并行 L 形網(wǎng)絡(luò)，具有 18.8 dBi 增益和 -11.9 dB 旁瓣抑制。如下所示的單個(gè) 4x4 陣列可以提供非常寬的視野，并且可以在更高的頻率下縮放到更小的輻射器區(qū)域。該陣列在結(jié)構(gòu)中心有一個(gè)通過(guò)通孔的饋線點(diǎn)，因此它可用于形成具有多個(gè)收發(fā)器的子陣列，其標(biāo)準(zhǔn)配置已用于具有波束成形（空間多路復(fù)用）的 MU-MIMO 系統(tǒng)。有關(guān)此類(lèi)陣列的更多信息，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)：

• 王，H.，等。“采用并聯(lián)和串聯(lián)組合饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶貼片陣列天線。” 2018 年天線與傳播國(guó)際研討會(huì) (ISAP)，第 1-2 頁(yè)。IEEE，2018 年。

另一種用于智能手機(jī)和支持 5G 的嵌入式設(shè)備的方法是天線封裝方法。下面的示例顯示了貼片天線封裝概念，其中內(nèi)部布線（帶狀線）與孔徑耦合天線一起使用。這種類(lèi)型的天線可以很好地工作在 100+ GHz 范圍內(nèi)，具有很強(qiáng)的****能力。事實(shí)上，我們?cè)?WiFi 頻率下使用了類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，用于從襯底集成波導(dǎo)耦合金屬波導(dǎo)。

代替饋線和通孔一直路由到表面層上的印刷天線，饋線通過(guò)內(nèi)部孔徑輻射到頂層上的****微帶貼片天線。下圖顯示了一個(gè)使用封裝內(nèi)天線設(shè)計(jì)概念在 122 GHz 下運(yùn)行的示例，盡管可以在以低得多的頻率運(yùn)行的 PCB 中實(shí)現(xiàn)相同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)。

• Bhutani, A., 等人?！安捎?LTCC 技術(shù)的 122 GHz 孔徑耦合堆疊貼片微帶天線?！?nbsp;2016 年第 10 屆歐洲天線和傳播會(huì)議 (EuCAP)，第 1-5 頁(yè)。IEEE，2016 年。

孔徑耦合貼片天線設(shè)計(jì)用于 122 GHz 的天線封裝設(shè)計(jì)概念。左圖為嵌入式封裝結(jié)構(gòu)，右圖為天線結(jié)構(gòu)。

這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)于在不增加占地面積的情況下提高手機(jī)輻射器效率和增益至關(guān)重要，它們對(duì)于進(jìn)一步提高 5G/6G 系統(tǒng)的性能也很重要。6G 系統(tǒng)很可能從 100 GHz 以上的 D 波段開(kāi)始，并將需要這些類(lèi)型的創(chuàng)新天線陣列設(shè)計(jì)，以及異構(gòu) IC 的替代材料。