5G毫米波有源阵列封装天线技术研究

提出了一种5G 毫米波有源阵列封装天线。该阵列由8×16 个微带天线单元组成，通过耦合式差分馈电，天线实现了宽带匹配和方向图高度对称特性。通过对天线与芯片进行合理布局，减小了芯片射频端口到天线子阵的馈电线损，提高了有源阵列天线的整体效率。测试结果表明，该阵列天线在工作频段为24．25～ 27．5 GHz 的等效全向辐射功率( Equivalent Isotropic Ｒadiated Power，EIＲP) 大于60 dBm，并且阵列波束扫描至±30°、±60°时的增益下降分别不超过0．6 dB、4．1 dB，具有良好的宽角度波束扫描特性。

引言

5G 移动通信技术可以为用户提供更高速率的网络接入、更低延迟的响应速度、超大容量的无线设备连接数等高质量体验。相比已经商用的Sub-6 GHz频段，毫米波频段频谱资源丰富，可以满足大带宽的热点区域等应用场景。此外，毫米波通信低时延的特性利于在工业领域构建完整的工业互联，大幅提高制造业的生产及管理效率和产品制造可靠性。

在5G 毫米波系统中，大规模阵列天线的设计以及封装天线与芯片一体化集成是两大关键技术。一方面，基于5G 技术提出的高速率、低延迟、更好的链路健壮性等要求，毫米波频段的大规模相控阵天线为基站与移动设备间的宽带通信链路提供了一个很好的解决方案。例如，部署于建筑物上的5G 毫米波微基站与移动设备进行高速率通信，5G 核心网的大带宽、高速率回传等。另一方面，在毫米波频段，天线本身及相应的馈电网络带来的损耗不容忽视，传统的分离天线的馈电网络的电长度较长，会额外带来过大的、不必要的损耗。针对这个问题，采用封装天线( AiP) 的方案可以提高电路输出功率、减小路径损耗和提升天线系统的电磁可靠性。

早在2001 年，南洋理工大学以及乔治亚理工学院封装研究中心分别提出了将天线集成于封装的设计。2018 年，加州大学圣地亚哥分校的Ｒebeiz教授团队发表了用于5G 毫米波通信的单极化相控阵收发信机，该相控阵由64 个天线单元组成，波束可在H 面进行±50°扫描，天线阵列的等效全向辐射功率( EIＲP) 达到52 dBm。2019 年，日本电气公司设计了用于5G NＲ 的相控阵封装天线，该方案采用8个封装天线单元可实现在±50°范围内进行波束扫描。

此外，国内许多学者也提出了几款相控阵天线设计，但其性能仍有较大提升空间。基于上述背景，本文提出了一种具有宽角扫描和低交叉极化特性的5G 毫米波有源阵列封装天线。该阵列采用一驱二天线子阵设计减少了芯片使用数量，基于多层PCB 工艺实现了天线与芯片的整体封装设计，降低加工成本，并通过大规模阵列封装天线和波束赋形芯片( Beamforming Chip) 实现了高增益、水平面±60°宽角扫描的特性，具有良好的应用前景。

1 天线子阵的设计

1．1 天线子阵结构

本文提出了一种8×16 有源阵列封装天线，其工作在5G 毫米波频段24．25 ～ 27．5 GHz、增益大于2 4 dBi，并且可在水平面和垂直面分别进行±60°、±15°波束扫描。本节首先研究宽带宽波束天线子阵的设计。为了在满足天线阵列波束扫描范围的同时，尽可能地减少有源阵列天线所需波束赋形芯片数量，降低整机设计成本及整体走线布局复杂度，本文采用一驱二天线子阵的布局方案。

图1( a) 是一驱二天线子阵的三维分解图。为了提高天线结构及相应方向图的对称性，使得有源阵列天线的扫描范围也有良好的对称性，可同时覆盖+60°和－60°扫描，在天线单元馈电设计上采用了差分馈电方案。图1( b) 中蓝色的S 形线是差分馈电网络，它通过半波长延长线来实现两个输出端口的180°相位差，分别连接到微带天线的两个馈电过孔进行差分馈电。两个天线的差分馈电网络的输入端口连接到一个具有两个输出端口的T 型功分器，功分器输入端口处设置了仿真激励端口。天线单元的两个馈电过孔均连接到PCB 的第一层，给位于该层的45°放置的方形贴片进行耦合馈电。与过孔直接连接到方形贴片的探针馈电形式相比，耦合馈电方式引入了额外的等效电容，可以在一定程度上抵消较长的垂直过孔的等效电感，从而拓宽天线的阻抗带宽。

图1 一驱二天线子阵的三维分解图和俯视图

1．2 天线子阵性能与分析

将一驱二天线子阵放在主从边界下仿真，可有效模拟出在大规模阵列中子阵的辐射性能。图2 为进行参数优化后的一驱二天线子阵在主从边界下的仿真结果。由图可知，一驱二天线子阵在24． 25 ～27．5 GHz 频段内的反射系数S11均小于－15 dB，且天线的峰值增益约为6～7 dBi。

图2 主从边界下天线单元的反射系数S11及最大增益

图3 为一驱二天线子阵在主从边界下的仿真方向图。由图3( a) 可知，一驱二天线子阵在水平面的3 dB 波束宽度约为90°，6 dB 波束宽度约为130°，因此由该天线子阵组成的8×16 阵列可实现±60°扫描时增益下降不超过6 dB。由图3( b) 可知，一驱二天线子阵在垂直面的3 dB 波束宽度约为58°，在角度为15°时增益下降不超过1 dB，因此组成阵列可以实现垂直面扫描±15°时增益下降不超过1 dB。

图3 主从边界下仿真的子阵方向图

2 阵列天线的馈电网络设计

2．1 有源阵列天线的整体架构

本文设计的8×16 有源阵列天线包括8×16 天线阵列、用于控制各个天线子阵的馈电幅度和相位的波束赋形芯片、1 分16 威尔金森功分器及前端信号收发模块等。图4 是8×16 有源阵列天线射频端的整体架构图，其中每个波束赋形芯片均有4 个收发通道，分别连接到4 个一驱二天线子阵的馈电线，可以通过芯片对每个通道的幅度和相位进行独立控制，灵活地调控天线阵列波束的指向、增益、旁瓣电平及等效全向辐射功率( EIＲP) 等指标。每个芯片的射频接口通过1 分16 威尔金森功分器进行合路，最终合成一路总的射频信号输入/输出端口。与采用很多通道数( 16 或32 个通道) 的大芯片方案相比，图4 所示的相控阵天线架构的优势在于，芯片与天线子阵的距离较近，从而每个芯片通道到天线子阵的馈电线损耗较小，并且芯片与每个天线子阵连接的馈电线具有很好的对称性，减小了相控阵天线各通道的相位误差，提高整个天线系统的一致性和稳定性。

图4 8×16 有源阵列天线射频端的整体架构图

2．2 1分16威尔金森功分器设计

图5 是本文设计的1 分16 功分器的模型图，该功分器的基本单元是一分二威尔金森功分器，两个输出端口间均连接了100 Ω 的隔离电阻，且输入端口和输出端口的阻抗均设计为50 Ω。图中的蓝色走线设计在PCB 的底层金属层，为接地共面波导( GCPW) 结构; 红色走线设计在PCB 的倒数第三层，为封装带状线结构。蓝色走线与红色走线的换层是通过类同轴垂直过孔结构实现的，示意图如图6 所示。此外，走线的两边均设计了对称的接地过孔，以避免平行板模式的激励，减小功分器的插入损耗。

图5 8×16 有源阵列天线的1 分16 功分器模型图

图6 阵列封装天线的馈电网络叠层示意图

图7 展示了1 分16 功分器的仿真结果，其中端口1、2、3 均为图5 中标注的对应端口。由图可知，功分器的输入端口( 端口1) 的反射系数小于－15 dB，输出端口( 端口2) 的反射系数小于－20 dB。由于对称性，端口3的反射系数与端口2 的相同，因此未在图中画出。1 分1 6 功分器的插入损耗( S21) 约为13．4 dB，与1 分16 功分器的插入损耗理论值12 dB相比多了1．4 dB，即该功分器引入了额外的1．4 dB 的损耗，这主要是由于引入了金属损耗、介质损耗和金属线换层带来的损耗。相邻的两个端口2、3 的隔离度( S23)大于20 dB，这表明该功分器具有较好的隔离度。

图7 8×16 有源阵列天线的1 分16 功分器的仿真结果

3 有源阵列天线的实现及测试

3．1 8×16阵列天线的仿真

基于前文仿真设计的天线单元，本节将通过ANSYS HFSS 中的Finite Array 阵列仿真模块进行8×16 阵列整体性能的仿真验证。图8 为基于Finite Array 仿真的8×16 天线阵列模型图，将一驱二天线子阵扩展为一个8×16 天线阵列。

图8 基于Finite Array 仿真的8×16 天线阵列模型图

首先分析8×16 天线阵列在不扫描时的仿真结果。图9 为8×16 天线阵列在不扫描时( 波束指向为θ0 = 0°) 各个单元有源反射系数的Smith 圆图和直角坐标图，这些单元包括位于阵列中心、阵列角落以及靠近阵列角落的单元。其中位于阵列中心和角落附近的单元的有源反射系数与主从边界单元仿真基本一致，这说明8×16 天线阵列中大部分天线单元“看到”的周围边界环境与无限大阵列中单元的边界环境基本上相同。而少数位于天线阵列角落的单元的有源反射系数则由于阵列的边缘效应有所升高，而且通常情况下越靠近阵列边缘的单元，有源反射系数升高得越多。从总体上看，阵列中所有单元的有源反射系数均小于－10 dB，满足天线阵列的设计要求。

图9 不扫描时8×16 天线阵列中各单元的有源反射系数

图10 是8×16 天线阵列中位于中心的子阵与周围各子阵的隔离度( S 参数) ，该子阵与在水平方向( x 方向) 相邻的两个子阵的耦合最强，如图中实线所示，隔离度大于17．2 dB。位于中心的子阵与在垂直方向( y 方向) 相邻的子阵和其他距离更远的子阵间的隔离度均大于25 dB。该结果表明本文设计的大规模阵列天线具有较好的同极化隔离度。

图10 8×16 天线阵列的中心单元与周围各单元的隔离度

图11 为8×16 天线阵列在波束指向为θ0 = 0°时的增益以及水平面和垂直面的3 dB 波束宽度。由图可知，天线阵列在24．25～27．5 GHz 工作频段内的增益为23． 9 ～ 24． 9 dBi，与上述基于有源单元方向图计算的阵列增益基本一致。8×16天线阵列在水平面( φ= 0°) 的3 dB 波束宽度为12．5° ～14．2°，在垂直面( φ= 90°) 的3 dB 波束宽度为7° ～8°。

图11 8×16 天线阵列在不扫描时的增益及3 dB 波束宽度

图12 为天线阵列在中心频率处的水平面0° ～60°扫描方向图。当天线阵列扫描至15°和30°时，天线的增益下降很小，不超过1 dB，很接近波束指向为0°时的增益，且旁瓣电平均在－13 dB 左右。当天线阵列扫描至45°时，天线阵列的增益下降不超过3 dB，且旁瓣电平也在－13 dB 左右。当天线阵列扫描至60°时，天线阵列的增益下降约为5 dB 左右，与前述通过有源单元方向图推断的扫描增益下降值基本一致。此外，天线阵列在扫描到60° 时的旁瓣电平比小角度扫描时的旁瓣电平稍高，为－8 dB 左右。综上所述，该天线阵列具有良好的宽角度波束扫描特性及较低的旁瓣电平。

图12 8×16 天线阵列在中心频率25．875 GHz 的0° ～ 60°扫描方向图

3．2 有源阵列天线的测试及分析

根据上述方案，加工了由控制电路、信号处理、波束赋形芯片、大规模阵列天线等模块构成的8×16有源阵列天线整机，并把该样机置于毫米波暗室中进行测试。图13 展示了有源阵列天线整机实物和暗室测试环境，图14 所示为天线阵列的测试方法。实测结果表明，该天线的等效全向辐射功率大于60 dBm，具有良好的辐射性能。

图13 有源阵列天线整机及暗室测试环境

图14 天线测试方法示意图

图15 是测试得到的8×16 有源阵列天线在中心频率25．875 GHz 处的水平面0° ～ 60°波束扫描方向图。当有源阵列天线扫描至10°时，天线的增益最高，甚至略高于不扫描时的增益，这主要是由于阵列中的单元间存在互耦效应，使有源单元方向图产生了小幅波动，从而使天线阵列最大增益方向有所偏移。当有源阵列天线扫描至30°时，具有较低的旁瓣电平，接近－10 dB，并且增益下降小于0．6 dB。当扫描至60°时，天线阵列的增益下降不超过4．1 dB，这表明有源阵列天线在扫描至60°时仍能保持较低的增益下降水平，具有良好的宽角度扫描性能。

图15 水平面波束扫描方向图

图16 是测试得到的8×16 有源阵列天线在中心频率25．875 GHz 处的垂直面0° ～ 15°波束扫描方向图。由图可知，有源阵列天线在垂直面进行0° ～ 15°波束扫描时，旁瓣电平均低于－10 dB，并且在扫描至15°时的增益下降不超过1．5 dB，这表明该阵列在垂直面也具有良好的宽角度波束扫描性能。

图16 垂直面波束扫描方向图

4 结论

本文完成了基于一驱二天线子阵的8×16 有源阵列封装天线的仿真设计、加工和测试，利用耦合式差分馈电的微带天线结构实现了宽带、宽波束、方向图对称的良好性能。基于威尔金森功分器的馈电网络保证了各个波束赋形芯片合路端具有良好的幅相一致性，从而保证了阵列良好的性能。实测结果表明，通过波束赋形芯片进行幅相控制，有源阵列天线整机可以实现水平面±60°、垂直面±15°的宽角度扫描性能，等效全向辐射功率大于60 dBm。本文设计的5G 毫米波有源阵列天线具有良好的性能，在5G移动通信领域具有较好的应用前景。

来源：微波学报；作者：姚树锋 李广伟 杨圣杰 章秀银

审核编辑：汤梓红