面向 5G 應用的相控陣天線(xiàn)設計

• 5G 中的相控陣天線(xiàn)

• 串聯(lián)饋電貼片陣列

• 平行貼片陣列

• 用于 5G 相控陣天線(xiàn)的 PCB

• 數組的數組

• 許多天線(xiàn)

• 貼片天線(xiàn)陣列的設計策略

• 替代類(lèi)型的天線(xiàn)和陣列

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

最早類(lèi)型的相控陣天線(xiàn)是由 Ferdinand Braun 于 1905 年建造的。這個(gè)簡(jiǎn)單的天線(xiàn)陣列由三個(gè)獨立的單極天線(xiàn)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(xiàn)的信號被延遲了四分之一波長(cháng)，這通過(guò)干擾加強了輻射模式的方向性。同樣的想法也用于貼片天線(xiàn)陣列，其中電路板上信號之間的延遲由移相器控制。

現在，隨著(zhù)許多支持 5G 的組件進(jìn)入市場(chǎng)，設計人員可以將天線(xiàn)陣列整合到封裝和 PCB 上。兩個(gè)重要的要求是可調諧性，其中天線(xiàn)的響應頻率可以調諧或與寬頻率范圍兼容，以及波束成形，其中天線(xiàn)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 中使用的標準類(lèi)型印刷天線(xiàn)是微帶相控陣天線(xiàn)。我們將概述這些天線(xiàn)陣列是如何設計和放置在 PCB 中以用于 5G 系統的。

由于高損耗，毫米波頻率一直被視為不適合移動(dòng)設備之間的通信。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行以進(jìn)行補償，這使得 GHz 無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)無(wú)法用于移動(dòng)設備中的遠程通信。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(xiàn)陣列發(fā)出的輻射。

當在封裝或 PCB 上實(shí)施時(shí)，相控陣很可能是貼片天線(xiàn)陣列。當多個(gè)貼片陣列排列成一組時(shí)，得到的相控陣天線(xiàn)可用于無(wú)線(xiàn)和雷達系統。這種類(lèi)型的天線(xiàn)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(xiàn)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 系統的相控陣中使用了兩種類(lèi)型的貼片天線(xiàn)：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)補丁數組，下表提供了這些數組的比較。

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

這些天線(xiàn)可以在多個(gè)頻段運行，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 FCC 最近開(kāi)放了更高的頻段，延伸至 64-71 GHz，歐洲、日本和中國也在使用類(lèi)似的頻段。在這些頻段中運行需要適當調整天線(xiàn)尺寸以在基本模式下支持這些頻率，我們將在下面討論。

如果您曾為雷達系統設計過(guò) PCB，或者看過(guò)雷達參考設計，您會(huì )發(fā)現串聯(lián)饋電貼片陣列是雷達中使用的標準天線(xiàn)元件。這樣做的原因是回波損耗和增益可以高度依賴(lài)于頻率，但它們仍然可以提供寬帶寬。由于這些陣列本質(zhì)上是薄/寬傳輸線(xiàn)部分的交替部分，因此它們的增益頻譜因沿天線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)到每個(gè)天線(xiàn)元件的延遲匹配實(shí)現高增益。這意味著(zhù)內部元件可能需要饋線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度并且對頻率相對不敏感。目標是確保進(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)重要的設計要點(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)器或內層饋線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lài)性?xún)?yōu)勢，以及通過(guò)疊加獲得的高增益。然而，饋線(xiàn)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，必須仔細設計這些部分，以確保整個(gè)陣列的相移一致。

在 PCB 上，相控陣天線(xiàn)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(xiàn)或移相器，每個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)的信號延遲設定值，將上述貼片陣列布置形成相控陣。由于支持 5G 的系統需要更多的天線(xiàn)來(lái)提供更高的增益/分辨率，因此天線(xiàn)放置會(huì )占用 PCB 上的大量空間。

在 5G 系統中，有兩種方法可以形成完整的相控陣：

• 來(lái)自離散貼片天線(xiàn)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/多路復用可以支持的最大用戶(hù)數。

形成相控陣的關(guān)鍵是強制相位匹配。當單個(gè)收發(fā)器用于相控陣中的所有元件時(shí)，只需對天線(xiàn)組內以及所有天線(xiàn)組中的饋線(xiàn)進(jìn)行長(cháng)度匹配，即可確保設計同相。該示例顯示了在通向四個(gè)串聯(lián)饋電貼片陣列的饋線(xiàn)上使用長(cháng)度調整強制實(shí)施的相位匹配。

支持 5G 的智能手機可以包含 6 到 10 個(gè)獨立的貼片陣列元件，以確保設備在操作過(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(xiàn)。一個(gè)例子如下所示。

用于 5G 應用的貼片天線(xiàn)設計作為相控陣

在此示例中，波束成形收發(fā)器控制著(zhù) 8 個(gè)離散貼片天線(xiàn)。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，可用于控制波束轉向角。類(lèi)似的策略用于封裝天線(xiàn)設計。就像帶有串聯(lián)饋電貼片天線(xiàn)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(zhù)電信公司推動(dòng)毫米波部署，人們有更大的動(dòng)力繼續增加天線(xiàn)數量。更多的天線(xiàn)等同于更多的增益和減少的旁瓣干擾，因為****的波束具有更高的分辨率。

當我們有大量收發(fā)器需要跨多個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)，而饋線(xiàn)在另一層運行。然后需要對參考振蕩器分布中的所有跡線(xiàn)進(jìn)行長(cháng)度調整，以確保一致的時(shí)序。下面顯示了一個(gè)大型補丁陣列陣列的示例層排列。

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

1. 選擇您的工作頻段并了解您的帶寬

2. 根據所需的虛擬陣列確定 PCB 或封裝上的天線(xiàn)布局拓撲

3. 確定天線(xiàn)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 值以驗證帶寬

5. 將補丁排列在更大的陣列中

上面概述的設計策略和天線(xiàn)拓撲結構是雷達和 5G 等毫米波應用的標準，但它們可能會(huì )繼續擴展到 6G 架構中，在毫米波頻段中運行良好。目前，當前 5G 部署中較低的工作頻率需要物理上更大的天線(xiàn)來(lái)提供高廣播功率，從而在更遠的范圍內提供高增益。隨著(zhù)新的推出和最終 6G 推高工作頻率，這些天線(xiàn)的物理尺寸可以減小。

天線(xiàn)尺寸的減小允許在給定區域中放置更多天線(xiàn)，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(xiàn)元件之間的相位匹配條件變得不可縮放?；旌喜ㄊ尚伪徽J為是克服超大型陣列中可擴展性挑戰的一種方法。

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)獨特的陣列，如下所示。下面的示例在拓撲上等效于工作在 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域。該陣列在結構中心有一個(gè)通過(guò)通孔的饋線(xiàn)點(diǎn)，因此它可用于形成具有多個(gè)收發(fā)器的子陣列，其標準配置已用于具有波束成形（空間多路復用）的 MU-MIMO 系統。有關(guān)此類(lèi)陣列的更多信息，請參閱文獻：

• 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(xiàn)?！?nbsp;2018 年天線(xiàn)與傳播國際研討會(huì ) (ISAP)，第 1-2 頁(yè)。IEEE，2018 年。

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

代替饋線(xiàn)和通孔一直路由到表面層上的印刷天線(xiàn)，饋線(xiàn)通過(guò)內部孔徑輻射到頂層上的****微帶貼片天線(xiàn)。下圖顯示了一個(gè)使用封裝內天線(xiàn)設計概念在 122 GHz 下運行的示例，盡管可以在以低得多的頻率運行的 PCB 中實(shí)現相同類(lèi)型的結構。

• 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(xiàn)?！?nbsp;2016 年第 10 屆歐洲天線(xiàn)和傳播會(huì )議 (EuCAP)，第 1-5 頁(yè)。IEEE，2016 年。

孔徑耦合貼片天線(xiàn)設計用于 122 GHz 的天線(xiàn)封裝設計概念。左圖為嵌入式封裝結構，右圖為天線(xiàn)結構。

這些創(chuàng )新設計對于在不增加占地面積的情況下提高手機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 系統的性能也很重要。6G 系統很可能從 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(xiàn)陣列設計，以及異構 IC 的替代材料。