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。將包括 5G 兼容前端的設(shè)備，無論是小型站/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。

最早類型的相控陣天線是由 Ferdinand Braun 于 1905 年建造的。這個(gè)簡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)天線的信號被延遲了四分之一波長，這通過干擾加強(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，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，空氣散射和吸收對信號的衰減程度更大，因此****需要以更高的功率運(yùn)行以進(jìn)行補(bǔ)償，這使得 GHz 無線天線無法用于移動(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線和雷達(dá)系統(tǒng)。這種類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 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 FCC 最近開放了更高的頻段，延伸至 64-71 GHz，歐洲、日本和中國也在使用類似的頻段。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 PCB，或者看過雷達(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?。由于這些陣列本質(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。這種類型的陣列通過沿饋線到每個(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提供所需的延遲匹配；這主要基于饋線長度并且對頻率相對不敏感。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)輸入過孔，可以從電路板背面的收發(fā)器或內(nèi)層饋線接收信號；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)簡單的平行微帶貼片天線陣列的示例。

對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，以及通過疊加獲得的高增益。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。通過將發(fā)送到每個(gè)天線的信號延遲設(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：

• 來自離散貼片天線的組合

• 來自平行陣列的組合

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)，只需對天線組內(nèi)以及所有天線組中的饋線進(jìn)行長度匹配，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)備在操作過程中無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。然后需要對參考振蕩器分布中的所有跡線進(jìn)行長度調(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于實(shí)現(xiàn) MIMO 功能的毫米波系統(tǒng)來說是典型的：

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?；旌喜ㄊ尚伪徽J(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)此類陣列的更多信息，請參閱文獻(xiàn)：

• 王，H.，等?！安捎貌⒙?lián)和串聯(lián)組合饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶貼片陣列天線?！?nbsp;2018 年天線與傳播國際研討會(huì) (ISAP)，第 1-2 頁。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，我們在 WiFi 頻率下使用了類似的結(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。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 波段開始，并將需要這些類型的創(chuàng)新天線陣列設(shè)計(jì)，以及異構(gòu) IC 的替代材料。