面向 5G 应用的相控阵天线设计

• 5G 中的相控阵天线

• 串联馈电贴片阵列

• 平行贴片阵列

• 用于 5G 相控阵天线的 PCB

• 数组的数组

• 许多天线

• 贴片天线阵列的设计策略

• 替代类型的天线和阵列

随着 5G 的推出和研究人员继续讨论 6G，许多在 sub-GHz 和毫米波频段运行的支持 5G 的新产品正在进入市场。将包括 5G 兼容前端的设备，无论是小型站/中继器还是手持设备，都使用相控阵作为高增益天线系统，以提供高数据吞吐量，而不会丢失更高频率的范围。

最早类型的相控阵天线是由 Ferdinand Braun 于 1905 年建造的。这个简单的天线阵列由三个独立的单极天线组成，它们放置在一个等边三角形中，中心是一个****。发送到其中一个天线的信号被延迟了四分之一波长，这通过干扰加强了辐射模式的方向性。同样的想法也用于贴片天线阵列，其中电路板上信号之间的延迟由移相器控制。

现在，随着许多支持 5G 的组件进入市场，设计人员可以将天线阵列整合到封装和 PCB 上。两个重要的要求是可调谐性，其中天线的响应频率可以调谐或与宽频率范围兼容，以及波束成形，其中天线的辐射方向图可以被定向。用于 5G 网络 GHz 频率广播的封装和 PCB 中使用的标准类型印刷天线是微带相控阵天线。我们将概述这些天线阵列是如何设计和放置在 PCB 中以用于 5G 系统的。

由于高损耗，毫米波频率一直被视为不适合移动设备之间的通信。与低频相比，空气散射和吸收对信号的衰减程度更大，因此****需要以更高的功率运行以进行补偿，这使得 GHz 无线天线无法用于移动设备中的远程通信。尽管毫米波频率会衰减，但波束成形技术可用于聚焦从天线阵列发出的辐射。

当在封装或 PCB 上实施时，相控阵很可能是贴片天线阵列。当多个贴片阵列排列成一组时，得到的相控阵天线可用于无线和雷达系统。这种类型的天线由许多以球形或偶极辐射模式辐射的****组成。阵列中的每个天线必须具有特定的间距，以便提供所需的干扰，从而形成具有最小旁瓣生成的波束。

5G 系统的相控阵中使用了两种类型的贴片天线：串联馈电贴片阵列和并联贴片阵列。下面显示了每种类型的单个补丁数组，下表提供了这些数组的比较。

在为毫米波系统形成贴片阵列时，上面显示的每组贴片基本上都充当单个天线元件。这些天线阵列元件的多个一起排列在 PCB 上以提供整个相控阵。绝大多数情况下，用于 5G 系统的带有相控阵的 PCB 或封装将使用平行贴片天线阵列，原因如下所述。

这些天线可以在多个频段运行，包括 LTE 频段以及超过 5 GHz 的更高频段。更高的频段包括 24.25-27 GHz 和 37-40 GHz，每个通道的带宽为 50 至 400 MHz。美国 FCC 最近开放了更高的频段，延伸至 64-71 GHz，欧洲、日本和中国也在使用类似的频段。在这些频段中运行需要适当调整天线尺寸以在基本模式下支持这些频率，我们将在下面讨论。

如果您曾为雷达系统设计过 PCB，或者看过雷达参考设计，您会发现串联馈电贴片阵列是雷达中使用的标准天线元件。这样做的原因是回波损耗和增益可以高度依赖于频率，但它们仍然可以提供宽带宽。由于这些阵列本质上是薄/宽传输线部分的交替部分，因此它们的增益频谱因沿天线长度所需的传播匹配而与频率相关。

典型的串联馈电贴片阵列如下所示。

并行的贴片阵列如下所示。这种类型的阵列通过沿馈线到每个天线元件的延迟匹配实现高增益。这意味着内部元件可能需要馈线中的一些曲折或相移部分来提供所需的延迟匹配；这主要基于馈线长度并且对频率相对不敏感。目标是确保进入并联阵列中每个元件的输入信号在所有元件中保持同相。

并行贴片阵列还有两个重要的设计要点：

1. 并联阵列中的中央馈电点是一个功率分配器，它必须为并联阵列中的所有贴片提供相等的功率

2. 有一个输入过孔，可以从电路板背面的收发器或内层馈线接收信号；它不得在工作频率下产生阻抗失配

最有可能的是，每个贴片与其馈线之间会有一些阻抗变压器部分，以确保阵列的最大功率传输和辐射效率。下面显示了一个简单的平行微带贴片天线阵列的示例。

对此的一种变体是串联阵列的并联组。这提供了具有旁瓣减少的频率依赖性优势，以及通过叠加获得的高增益。然而，馈线中有多个功率分配器部分，它们有自己的阻抗变压器部分，必须仔细设计这些部分，以确保整个阵列的相移一致。

在 PCB 上，相控阵天线包含多个以特定几何形状放置的辐射元件。每个元件都连接到延迟线或移相器，每个天线的辐射模式之间的干涉形成低发散的波束。通过将发送到每个天线的信号延迟设定值，将上述贴片阵列布置形成相控阵。由于支持 5G 的系统需要更多的天线来提供更高的增益/分辨率，因此天线放置会占用 PCB 上的大量空间。

在 5G 系统中，有两种方法可以形成完整的相控阵：

• 来自离散贴片天线的组合

• 来自平行阵列的组合

离散阵列元素（贴片或平行阵列）的数量将决定阵列在给定虚拟阵列的情况下的总可用增益，以及通过波束成形/多路复用可以支持的最大用户数。

形成相控阵的关键是强制相位匹配。当单个收发器用于相控阵中的所有元件时，只需对天线组内以及所有天线组中的馈线进行长度匹配，即可确保设计同相。该示例显示了在通向四个串联馈电贴片阵列的馈线上使用长度调整强制实施的相位匹配。

支持 5G 的智能手机可以包含 6 到 10 个独立的贴片阵列元件，以确保设备在操作过程中无论以何种方式握持都可以传输。小蜂窝中较大的支持 MIMO 的****机可以使用多个离散贴片或多个并行阵列。支持 5G 的相控阵中的每个元件通常放置有一条穿过电路板背面的馈线。一个例子如下所示。

用于 5G 应用的贴片天线设计作为相控阵

在此示例中，波束成形收发器控制着 8 个离散贴片天线。它还可用于控制多个贴片阵列。这些波束形成器模块可用作 IC，可用于控制波束转向角。类似的策略用于封装天线设计。就像带有串联馈电贴片天线的相控阵一样，元件间距将决定波束形成能力和视角。

如上所述，随着电信公司推动毫米波部署，人们有更大的动力继续增加天线数量。更多的天线等同于更多的增益和减少的旁瓣干扰，因为****的波束具有更高的分辨率。

当我们有大量收发器需要跨多个天线和/或多个子阵列进行相位匹配时，情况会更加困难。在这种情况下，参考振荡器或参考时钟必须分布在所有收发器元件上，以在某个时序窗口内实施相位匹配。在这种情况下，参考时钟必须在一层布线，而馈线在另一层运行。然后需要对参考振荡器分布中的所有迹线进行长度调整，以确保一致的时序。下面显示了一个大型补丁阵列阵列的示例层排列。

贴片天线阵列的策略对于实现 MIMO 功能的毫米波系统来说是典型的：

1. 选择您的工作频段并了解您的带宽

2. 根据所需的虚拟阵列确定 PCB 或封装上的天线布局拓扑

3. 确定天线元件的大小并确定与您的工作频率匹配的部分

4. 检查贴片阵列输入点的 S11 值以验证带宽

5. 将补丁排列在更大的阵列中

上面概述的设计策略和天线拓扑结构是雷达和 5G 等毫米波应用的标准，但它们可能会继续扩展到 6G 架构中，在毫米波频段中运行良好。目前，当前 5G 部署中较低的工作频率需要物理上更大的天线来提供高广播功率，从而在更远的范围内提供高增益。随着新的推出和最终 6G 推高工作频率，这些天线的物理尺寸可以减小。

天线尺寸的减小允许在给定区域中放置更多天线，从而增加输出波束的可用增益和分辨率。然而，最终，阵列中天线元件之间的相位匹配条件变得不可缩放。混合波束成形被认为是克服超大型阵列中可扩展性挑战的一种方法。

另一种类型的阵列将串联和并联贴片组合成一个独特的阵列，如下所示。下面的示例在拓扑上等效于工作在 10 GHz 的并行 L 形网络，具有 18.8 dBi 增益和 -11.9 dB 旁瓣抑制。如下所示的单个 4x4 阵列可以提供非常宽的视野，并且可以在更高的频率下缩放到更小的辐射器区域。该阵列在结构中心有一个通过通孔的馈线点，因此它可用于形成具有多个收发器的子阵列，其标准配置已用于具有波束成形（空间多路复用）的 MU-MIMO 系统。有关此类阵列的更多信息，请参阅文献：

• 王，H.，等。“采用并联和串联组合馈电网络的微带贴片阵列天线。” 2018 年天线与传播国际研讨会 (ISAP)，第 1-2 页。IEEE，2018 年。

另一种用于智能手机和支持 5G 的嵌入式设备的方法是天线封装方法。下面的示例显示了贴片天线封装概念，其中内部布线（带状线）与孔径耦合天线一起使用。这种类型的天线可以很好地工作在 100+ GHz 范围内，具有很强的****能力。事实上，我们在 WiFi 频率下使用了类似的结构，用于从衬底集成波导耦合金属波导。

代替馈线和通孔一直路由到表面层上的印刷天线，馈线通过内部孔径辐射到顶层上的****微带贴片天线。下图显示了一个使用封装内天线设计概念在 122 GHz 下运行的示例，尽管可以在以低得多的频率运行的 PCB 中实现相同类型的结构。

• Bhutani, A., 等人。“采用 LTCC 技术的 122 GHz 孔径耦合堆叠贴片微带天线。” 2016 年第 10 届欧洲天线和传播会议 (EuCAP)，第 1-5 页。IEEE，2016 年。

孔径耦合贴片天线设计用于 122 GHz 的天线封装设计概念。左图为嵌入式封装结构，右图为天线结构。

这些创新设计对于在不增加占地面积的情况下提高手机辐射器效率和增益至关重要，它们对于进一步提高 5G/6G 系统的性能也很重要。6G 系统很可能从 100 GHz 以上的 D 波段开始，并将需要这些类型的创新天线阵列设计，以及异构 IC 的替代材料。