【導讀】提出了一種5G 毫米波有源陣列封裝天線(xiàn)。該陣列由8×16 個(gè)微帶天線(xiàn)單元組成，通過(guò)耦合式差分饋電，天線(xiàn)實(shí)現了寬帶匹配和方向圖高度對稱(chēng)特性。通過(guò)對天線(xiàn)與芯片進(jìn)行合理布局，減小了芯片射頻端口到天線(xiàn)子陣的饋電線(xiàn)損，提高了有源陣列天線(xiàn)的整體效率。測試結果表明，該陣列天線(xiàn)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(shí)的增益下降分別不超過(guò)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(dòng)通信技術(shù)可以為用戶(hù)提供更高速率的網(wǎng)絡(luò )接入、更低延遲的響應速度、超大容量的無(wú)線(xiàn)設備連接數等高質(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(mǎn)足大帶寬的熱點(diǎn)區域等應用場(chǎng)景。此外，毫米波通信低時(shí)延的特性利于在工業(yè)領(lǐng)域構建完整的工業(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 毫米波系統中，大規模陣列天線(xiàn)的設計以及封裝天線(xiàn)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，毫米波頻段的大規模相控陣天線(xiàn)為基站與移動(dòng)設備間的寬帶通信鏈路提供了一個(gè)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(dòng)設備進(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(xiàn)本身及相應的饋電網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的損耗不容忽視，傳統的分離天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò )的電長(cháng)度較長(cháng)，會(huì )額外帶來(lái)過(guò)大的、不必要的損耗。針對這個(gè)問(wèn)題，采用封裝天線(xiàn)( 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(xiàn)系統的電磁可靠性。
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(xiàn)集成于封裝的設計。2018 年，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Ｒebeiz教授團隊發(fā)表了用于5G 毫米波通信的單極化相控陣收發(fā)信機，該相控陣由64 個(gè)天線(xiàn)單元組成，波束可在H 面進(jìn)行±50°掃描，天線(xiàn)陣列的等效全向輻射功率( EIＲP) 達到52 dBm。2019 年，日本電氣公司設計了用于5G NＲ 的相控陣封裝天線(xiàn)，該方案采用8個(gè)封裝天線(xiàn)單元可實(shí)現在±50°范圍內進(jìn)行波束掃描。
此外，國內許多學(xué)者也提出了幾款相控陣天線(xiàn)設計，但其性能仍有較大提升空間?；谏鲜霰尘?，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(xiàn)。該陣列采用一驅二天線(xiàn)子陣設計減少了芯片使用數量，基于多層PCB 工藝實(shí)現了天線(xiàn)與芯片的整體封裝設計，降低加工成本，并通過(guò)大規模陣列封裝天線(xiàn)和波束賦形芯片( Beamforming Chip) 實(shí)現了高增益、水平面±60°寬角掃描的特性，具有良好的應用前景。
1 天線(xiàn)子陣的設計
1．1 天線(xiàn)子陣結構
本文提出了一種8×16 有源陣列封裝天線(xiàn)，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。本節首先研究寬帶寬波束天線(xiàn)子陣的設計。為了在滿(mǎn)足天線(xiàn)陣列波束掃描范圍的同時(shí)，盡可能地減少有源陣列天線(xiàn)所需波束賦形芯片數量，降低整機設計成本及整體走線(xiàn)布局復雜度，本文采用一驅二天線(xiàn)子陣的布局方案。
圖1( a) 是一驅二天線(xiàn)子陣的三維分解圖。為了提高天線(xiàn)結構及相應方向圖的對稱(chēng)性，使得有源陣列天線(xiàn)的掃描范圍也有良好的對稱(chēng)性，可同時(shí)覆蓋+60°和－60°掃描，在天線(xiàn)單元饋電設計上采用了差分饋電方案。圖1( b) 中藍色的S 形線(xiàn)是差分饋電網(wǎng)絡(luò )，它通過(guò)半波長(cháng)延長(cháng)線(xiàn)來(lái)實(shí)現兩個(gè)輸出端口的180°相位差，分別連接到微帶天線(xiàn)的兩個(gè)饋電過(guò)孔進(jìn)行差分饋電。兩個(gè)天線(xiàn)的差分饋電網(wǎng)絡(luò )的輸入端口連接到一個(gè)具有兩個(gè)輸出端口的T 型功分器，功分器輸入端口處設置了仿真激勵端口。天線(xiàn)單元的兩個(gè)饋電過(guò)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(guò)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(cháng)的垂直過(guò)孔的等效電感，從而拓寬天線(xiàn)的阻抗帶寬。
圖1 一驅二天線(xiàn)子陣的三維分解圖和俯視圖
1．2 天線(xiàn)子陣性能與分析
將一驅二天線(xiàn)子陣放在主從邊界下仿真，可有效模擬出在大規模陣列中子陣的輻射性能。圖2 為進(jìn)行參數優(yōu)化后的一驅二天線(xiàn)子陣在主從邊界下的仿真結果。由圖可知，一驅二天線(xiàn)子陣在24． 25 ～27．5 GHz 頻段內的反射系數S11均小于－15 dB，且天線(xiàn)的峰值增益約為6～7 dBi。
圖2 主從邊界下天線(xiàn)單元的反射系數S11及最大增益
圖3 為一驅二天線(xiàn)子陣在主從邊界下的仿真方向圖。由圖3( a) 可知，一驅二天線(xiàn)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(xiàn)子陣組成的8×16 陣列可實(shí)現±60°掃描時(shí)增益下降不超過(guò)6 dB。由圖3( b) 可知，一驅二天線(xiàn)子陣在垂直面的3 dB 波束寬度約為58°，在角度為15°時(shí)增益下降不超過(guò)1 dB，因此組成陣列可以實(shí)現垂直面掃描±15°時(shí)增益下降不超過(guò)1 dB。
圖3 主從邊界下仿真的子陣方向圖
2 陣列天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò )設計
2．1 有源陣列天線(xiàn)的整體架構
本文設計的8×16 有源陣列天線(xiàn)包括8×16 天線(xiàn)陣列、用于控制各個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)射頻端的整體架構圖，其中每個(gè)波束賦形芯片均有4 個(gè)收發(fā)通道，分別連接到4 個(gè)一驅二天線(xiàn)子陣的饋電線(xiàn)，可以通過(guò)芯片對每個(gè)通道的幅度和相位進(jìn)行獨立控制，靈活地調控天線(xiàn)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。每個(gè)芯片的射頻接口通過(guò)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( 16 或32 個(gè)通道) 的大芯片方案相比，圖4 所示的相控陣天線(xiàn)架構的優(yōu)勢在于，芯片與天線(xiàn)子陣的距離較近，從而每個(gè)芯片通道到天線(xiàn)子陣的饋電線(xiàn)損耗較小，并且芯片與每個(gè)天線(xiàn)子陣連接的饋電線(xiàn)具有很好的對稱(chēng)性，減小了相控陣天線(xiàn)各通道的相位誤差，提高整個(gè)天線(xiàn)系統的一致性和穩定性。
圖4 8×16 有源陣列天線(xiàn)射頻端的整體架構圖
2．2 1分16威爾金森功分器設計
圖5 是本文設計的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(gè)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計為50 Ω。圖中的藍色走線(xiàn)設計在PCB 的底層金屬層，為接地共面波導( GCPW) 結構; 紅色走線(xiàn)設計在PCB 的倒數第三層，為封裝帶狀線(xiàn)結構。藍色走線(xiàn)與紅色走線(xiàn)的換層是通過(guò)類(lèi)同軸垂直過(guò)孔結構實(shí)現的，示意圖如圖6 所示。此外，走線(xiàn)的兩邊均設計了對稱(chēng)的接地過(guò)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(xiàn)的1 分16 功分器模型圖
圖6 陣列封裝天線(xiàn)的饋電網(wǎng)絡(luò )疊層示意圖
圖7 展示了1 分16 功分器的仿真結果，其中端口1、2、3 均為圖5 中標注的對應端口。由圖可知，功分器的輸入端口( 端口1) 的反射系數小于－15 dB，輸出端口( 端口2) 的反射系數小于－20 dB。由于對稱(chēng)性，端口3的反射系數與端口2 的相同，因此未在圖中畫(huà)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(xiàn)換層帶來(lái)的損耗。相鄰的兩個(gè)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(xiàn)的1 分16 功分器的仿真結果
3 有源陣列天線(xiàn)的實(shí)現及測試
3．1 8×16陣列天線(xiàn)的仿真
基于前文仿真設計的天線(xiàn)單元，本節將通過(guò)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(xiàn)陣列模型圖，將一驅二天線(xiàn)子陣擴展為一個(gè)8×16 天線(xiàn)陣列。
圖8 基于Finite Array 仿真的8×16 天線(xiàn)陣列模型圖
首先分析8×16 天線(xiàn)陣列在不掃描時(shí)的仿真結果。圖9 為8×16 天線(xiàn)陣列在不掃描時(shí)( 波束指向為θ0 = 0°) 各個(gè)單元有源反射系數的Smith 圓圖和直角坐標圖，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與主從邊界單元仿真基本一致，這說(shuō)明8×16 天線(xiàn)陣列中大部分天線(xiàn)單元“看到”的周?chē)吔绛h(huán)境與無(wú)限大陣列中單元的邊界環(huán)境基本上相同。而少數位于天線(xiàn)陣列角落的單元的有源反射系數則由于陣列的邊緣效應有所升高，而且通常情況下越靠近陣列邊緣的單元，有源反射系數升高得越多。從總體上看，陣列中所有單元的有源反射系數均小于－10 dB，滿(mǎn)足天線(xiàn)陣列的設計要求。
圖9 不掃描時(shí)8×16 天線(xiàn)陣列中各單元的有源反射系數
圖10 是8×16 天線(xiàn)陣列中位于中心的子陣與周?chē)髯雨嚨母綦x度( S 參數) ，該子陣與在水平方向( x 方向) 相鄰的兩個(gè)子陣的耦合最強，如圖中實(shí)線(xiàn)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的子陣間的隔離度均大于25 dB。該結果表明本文設計的大規模陣列天線(xiàn)具有較好的同極化隔離度。
圖10 8×16 天線(xiàn)陣列的中心單元與周?chē)鲉卧母綦x度
圖11 為8×16 天線(xiàn)陣列在波束指向為θ0 = 0°時(shí)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(xiàn)陣列在24．25～27．5 GHz 工作頻段內的增益為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(xiàn)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(xiàn)陣列在不掃描時(shí)的增益及3 dB 波束寬度
圖12 為天線(xiàn)陣列在中心頻率處的水平面0° ～60°掃描方向圖。當天線(xiàn)陣列掃描至15°和30°時(shí)，天線(xiàn)的增益下降很小，不超過(guò)1 dB，很接近波束指向為0°時(shí)的增益，且旁瓣電平均在－13 dB 左右。當天線(xiàn)陣列掃描至45°時(shí)，天線(xiàn)陣列的增益下降不超過(guò)3 dB，且旁瓣電平也在－13 dB 左右。當天線(xiàn)陣列掃描至60°時(shí)，天線(xiàn)陣列的增益下降約為5 dB 左右，與前述通過(guò)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(xiàn)陣列在掃描到60° 時(shí)的旁瓣電平比小角度掃描時(shí)的旁瓣電平稍高，為－8 dB 左右。綜上所述，該天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的測試及分析
根據上述方案，加工了由控制電路、信號處理、波束賦形芯片、大規模陣列天線(xiàn)等模塊構成的8×16有源陣列天線(xiàn)整機，并把該樣機置于毫米波暗室中進(jìn)行測試。圖13 展示了有源陣列天線(xiàn)整機實(shí)物和暗室測試環(huán)境，圖14 所示為天線(xiàn)陣列的測試方法。實(shí)測結果表明，該天線(xiàn)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(xiàn)整機及暗室測試環(huán)境
圖14 天線(xiàn)測試方法示意圖
圖15 是測試得到的8×16 有源陣列天線(xiàn)在中心頻率25．875 GHz 處的水平面0° ～ 60°波束掃描方向圖。當有源陣列天線(xiàn)掃描至10°時(shí)，天線(xiàn)的增益最高，甚至略高于不掃描時(shí)的增益，這主要是由于陣列中的單元間存在互耦效應，使有源單元方向圖產(chǎn)生了小幅波動(dòng)，從而使天線(xiàn)陣列最大增益方向有所偏移。當有源陣列天線(xiàn)掃描至30°時(shí)，具有較低的旁瓣電平，接近－10 dB，并且增益下降小于0．6 dB。當掃描至60°時(shí)，天線(xiàn)陣列的增益下降不超過(guò)4．1 dB，這表明有源陣列天線(xiàn)在掃描至60°時(shí)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(xiàn)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(xiàn)在垂直面進(jìn)行0° ～ 15°波束掃描時(shí)，旁瓣電平均低于－10 dB，并且在掃描至15°時(shí)的增益下降不超過(guò)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 結論
本文完成了基于一驅二天線(xiàn)子陣的8×16 有源陣列封裝天線(xiàn)的仿真設計、加工和測試，利用耦合式差分饋電的微帶天線(xiàn)結構實(shí)現了寬帶、寬波束、方向圖對稱(chēng)的良好性能?；谕柦鹕Ψ制鞯酿侂娋W(wǎng)絡(luò )保證了各個(gè)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)測結果表明，通過(guò)波束賦形芯片進(jìn)行幅相控制，有源陣列天線(xiàn)整機可以實(shí)現水平面±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。本文設計的5G 毫米波有源陣列天線(xiàn)具有良好的性能，在5G移動(dòng)通信領(lǐng)域具有較好的應用前景。
來(lái)源：微波學(xué)報；作者：姚樹(shù)鋒 李廣偉 楊圣杰 章秀銀
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