技术专栏|用于5G及卫星通信终端的毫米波有源天线研究(一)

2019-11-28 来源:广州润芯信息技术有限公司 我要评论(0) 字号:

摘要:回顾毫米波相控阵天线国内外发展现状,展望毫米波相控阵天线的未来,并给出了润芯公司预研的毫米波相控阵多功能芯片指标,对毫米波相控阵的研究人员具有一定参考意义。

引言

随着5G毫米波通信和宽带低轨卫星通信的迅速崛起,毫米波有源天线开始了前所未有的发展,预计未来几年内将主宰市场。

毫米波带来了大带宽和高速率,基于Sub-6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可用使用的最大带宽是100MHz,数据速率不超过1Gbps;在毫米波频段,移动应用可用使用的最大带宽是400MHz,数据速率高达10Gbps甚至更多。

需求总是创新的最大动力,加之新材料、新技术和新工艺的提升,毫米波频段集成电路元件的技术难题迅速被攻克,毫米波在5G时代会迎来大规模应用。在卫星通信领域,毫米波有源相控阵天线与传统的动中通天线相比,没有体积庞大的伺服跟踪系统,波束速度快、方向可控、可实时跟踪卫星,并且重量轻,可进行大批量生产;毫米波有源相控阵天线不含活动部件,可靠性极佳,即便阵列中少数天线单元失效,天线总体性能也不会受到影响,集成毫米波有源相控天线的终端是未来毫米波卫星通信的重要发展方向之一。

一、毫米波有源天线国内外发展现状

有源相控阵天线的优点是使用微波集成的方法,将移相器、滤波器、衰减器、功放和低噪放等芯片集成在芯片中,实现了设备的小型化、轻型化,波束指向精度较高和一定的波束旁瓣抑制能力;缺点是相控阵成本高,但随着MMIC技术发展,成本会大幅降低。

(一)国外毫米波有源相控天线发展现状

国外有源相控天线的发展比国内成熟,广泛应用于雷达、卫星通信等领域。

01

Phasor 研制出了一款Ka频段低剖面、电控相控阵天线,可适用于航空、海上和陆地的移动应用。Phasor的技术使用具有电子波束成型功能的专用集成电路(ASIC)微芯片,这些芯片与非常小的贴片天线组合组成一个单元,超过500个单元分布在经过射频优化的面板上,构成了Phasor核心模块的基础。核心模块可以组合成各种尺寸和配置来构建Phasor的相控阵天线,拥有前所未有扩展能力。Phasor独特的设计将能够生产出形状适应性强,高度只有1~2英寸的天线,具备重量轻、面积小、精度高等特点,并且能够以非常高的增益提供超过100Mbps的宽带速度。

图1:Phasor研制的相控阵

02

Kymeta天线使用超材料形成全息波束,这意味着可以使用软件而不是机械部件来动态地调整天线指向,这也大大降低了天线的功耗。天线使用电子射频波束指向控制,电子极化选择和角度控制,卫星自动识别和跟踪,可以广泛应用于移动通信领域。

图2:Kymeta研发的相控阵

03

2018年6月21日,C-COM卫星系统公司使用4×4收发组件模块,成功地测试了其16×16子阵列相控阵天线,此次测试为2018年底前在两颗低地球轨道卫星的演示做好了准备。在2016年5月,C-COM基于其专利移相器技术,成功测试了其首款4x4 Ka波段相控阵列模块。4x4 Ka波段智能天线模块采用基于创新架构的低成本多层平面电路,具有灵活度高、厚度小、模块化、一致性和适应性强等特点。初步结果令人振奋,即使几个天线元件关闭,模块仍然能够提供可接受的辐射方向图,而不会显着降低性能。天线的模块化特性和曲面的适应能力使得其可以适用于汽车、船只、火车、公共汽车和飞机等载体。这一新系统及其对更高的毫米波频段的扩展能力也使其在将来可以在5G及毫米波汽车雷达等电信领域得到应用。

图3:C-COM 研制的16X16 相控阵

04

AAC Singapore Wireless Technology Centre 研制的⽤于5G带射频前端的集成毫米波相控阵天线,采用喇叭天线阵和微带功分网络馈电相结合的方式,仿真天线增益24dB,功分网络插入损耗约1.8dB,并用6层PCB制作了相控阵天线实物,如图4所示。

图4:AAC 科技研制的64元相控阵天线

05

Anokiwave是毫米波相控阵行业引领者,它利用自研芯片设计了毫米波256元可重构全硅相控阵,DC+12V供电,重量约3kg,实现EIRP>1KW。

图5:Anokiwave研制的毫米波相控阵天线

(二)国内毫米波有源相控天线发展现状

国内因核心芯片和新工艺等限制,毫米波相控阵研制起步较晚,目前大多处于论证或预研阶段,能见报道的很少。

01

中国电科某所研制的应用于5G毫米波通信和毫米波数据链的相控阵天线原理样机,采用64元微带阵列天线形式,性能指标未公布。

图6:中国电科研制的毫米波相控阵天线原理样机

02

成都某公司采用硅基多通道芯片研制的毫米波相控阵,垂直线极化,发射EIRP≥dBm(法向),接收G/T值≥-5dB/K(法向),使用最大占空比30%。

图7:成都某公司研制的毫米波相控阵天线样机

03

北京某公司研制的毫米波相控阵天线,采用高密度集成一体化设计,实现了多通道天线最短收发链路的构建;采用多接口集成波控模块,内置多组波束方向快速调整数据,轻松实现多种环境下的快速运用;配置多功能接口电缆,灵活与外部设备构建同步控制系统,轻松开发和测试无线链路。天线能够实现二维±60度波束扫描范围,发射RIRP大于50dBm,适用于5G毫米波通信。

图8:北京某公司研制的毫米波相控阵天线

二、润芯公司预研的硅基毫米波芯片

目前,润芯公司预研的毫米波硅基芯片将集成功率放大器、数字移相器、数字衰减器、驱动放大器、低噪声放大器、滤波器和功分网络等,收发芯片能够支持相控阵扫描的全部功能,可以与毫米波平面阵列天线组成相控阵天线射频前端。

(一)发射通道芯片

图9:发射通道芯片原理框图

① 频率:27.5-30GHz;
② 尺寸:<6*6*0.5 mm
③ P1dB:17dBm;
④ 支持左旋、右旋、线极化
⑤ 每个通道G>22dB;
⑥ 增益平坦度:2dB;
⑦ 效率>15%@P1dB;
⑧ 5bit数字移相:
⑨ 5bit数字衰减:
⑩ VSWR<1.8:1
⑪ SPI数据控制接口
⑫ 预留功率、温度等检测口

(二)接收通道芯片

图10:接收通道芯片原理框图

① 频率:17.7-21.2GHz;
② 尺寸:<6*6*0.5 mm;
③ NF<3.0dB;
④ G>22dB;
⑤ 支持左旋、右旋、线极化;
⑥ 增益平坦度:2dB;
⑦ 效率>15%;
⑧ 5bit数字移相;
⑨ 5bit数字衰减;
⑩ VSWR<1.8:1;
⑪ SPI数据控制接口;
⑫ 预留功率、温度等检测口。

三、未来展望

未来,用于5G和卫星通信的有源毫米波天线在未来几年将实现空前的量产,那何种工艺才更利于实现量产呢?

基于GaAs或GaN工艺,IC位于天线阵列外的传统相控阵方式虽然EIRP非常高,但损耗及自校准缺失所造成的接收性能差,成本很难降低;基于全硅多功能芯片的毫米波有源天线虽然每个单元的发射功率有限,但容易实现大规模生产,且制造成本低,是实现毫米波相控天线的必然趋势。

综上所述,展望未来,毫米波相控天线发展方向会朝着宽带、共形和超材料方向发展:

▶  宽带超宽带阵列天线可广泛应用于多频段卫星通信系统,支持多波束使用,减少天线数量;

▶  天线阵列、射频元器件等与平台一体化设计,天线作为载体的一部分,推动天线向小型化、集成化、低剖面、芯片化方向发展。

▶  超材料技术通过人工对于某些复合材料的微结构设计,使材料具备了超出自然材料的某些电磁波响应特性,天线向小型化、共形、隐身方向发展。

作者:徐永杰
图片:来源于网络
来源:广州润芯信息技术有限公司
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