缅甸玉和国际

技術專欄|用于5G及衛星通信終端的毫米波有源天線研究(一)

2019-11-28 來源:廣州潤芯信息技術有限公司 我要評論(0) 字號:

摘要:回顧毫米波相控陣天線國內外發展現狀,展望毫米波相控陣天線的未來,并給出了潤芯公司預研的毫米波相控陣多功能芯片指標,對毫米波相控陣的研究人員具有一定參考意義。

引言

隨著5G毫米波通信和寬帶低軌衛星通信的迅速崛起,毫米波有源天線開始了前所未有的發展,預計未來幾年內將主宰市場。

缅甸玉和国际毫米波帶來了大帶寬和高速率,基于Sub-6GHz頻段的4G LTE蜂窩系統可用使用的最大帶寬是100MHz,數據速率不超過1Gbps;在毫米波頻段,移動應用可用使用的最大帶寬是400MHz,數據速率高達10Gbps甚至更多。

需求總是創新的最大動力,加之新材料、新技術和新工藝的提升,毫米波頻段集成電路元件的技術難題迅速被攻克,毫米波在5G時代會迎來大規模應用。在衛星通信領域,毫米波有源相控陣天線與傳統的動中通天線相比,沒有體積龐大的伺服跟蹤系統,波束速度快、方向可控、可實時跟蹤衛星,并且重量輕,可進行大批量生產;毫米波有源相控陣天線不含活動部件,可靠性極佳,即便陣列中少數天線單元失效,天線總體性能也不會受到影響,集成毫米波有源相控天線的終端是未來毫米波衛星通信的重要發展方向之一。

一、毫米波有源天線國內外發展現狀

有源相控陣天線的優點是使用微波集成的方法,將移相器、濾波器、衰減器、功放和低噪放等芯片集成在芯片中,實現了設備的小型化、輕型化,波束指向精度較高和一定的波束旁瓣抑制能力;缺點是相控陣成本高,但隨著MMIC技術發展,成本會大幅降低。

(一)國外毫米波有源相控天線發展現狀

缅甸玉和国际國外有源相控天線的發展比國內成熟,廣泛應用于雷達、衛星通信等領域。

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Phasor 研制出了一款Ka頻段低剖面、電控相控陣天線,可適用于航空、海上和陸地的移動應用。Phasor的技術使用具有電子波束成型功能的專用集成電路(ASIC)微芯片,這些芯片與非常小的貼片天線組合組成一個單元,超過500個單元分布在經過射頻優化的面板上,構成了Phasor核心模塊的基礎。核心模塊可以組合成各種尺寸和配置來構建Phasor的相控陣天線,擁有前所未有擴展能力。Phasor獨特的設計將能夠生產出形狀適應性強,高度只有1~2英寸的天線,具備重量輕、面積小、精度高等特點,并且能夠以非常高的增益提供超過100Mbps的寬帶速度。

圖1:Phasor研制的相控陣

02

缅甸玉和国际Kymeta天線使用超材料形成全息波束,這意味著可以使用軟件而不是機械部件來動態地調整天線指向,這也大大降低了天線的功耗。天線使用電子射頻波束指向控制,電子極化選擇和角度控制,衛星自動識別和跟蹤,可以廣泛應用于移動通信領域。

圖2:Kymeta研發的相控陣

03

2018年6月21日,C-COM衛星系統公司使用4×4收發組件模塊,成功地測試了其16×16子陣列相控陣天線,此次測試為2018年底前在兩顆低地球軌道衛星的演示做好了準備。在2016年5月,C-COM基于其專利移相器技術,成功測試了其首款4x4 Ka波段相控陣列模塊。4x4 Ka波段智能天線模塊采用基于創新架構的低成本多層平面電路,具有靈活度高、厚度小、模塊化、一致性和適應性強等特點。初步結果令人振奮,即使幾個天線元件關閉,模塊仍然能夠提供可接受的輻射方向圖,而不會顯著降低性能。天線的模塊化特性和曲面的適應能力使得其可以適用于汽車、船只、火車、公共汽車和飛機等載體。這一新系統及其對更高的毫米波頻段的擴展能力也使其在將來可以在5G及毫米波汽車雷達等電信領域得到應用。

圖3:C-COM 研制的16X16 相控陣

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AAC Singapore Wireless Technology Centre 研制的?于5G帶射頻前端的集成毫米波相控陣天線,采用喇叭天線陣和微帶功分網絡饋電相結合的方式,仿真天線增益24dB,功分網絡插入損耗約1.8dB,并用6層PCB制作了相控陣天線實物,如圖4所示。

圖4:AAC 科技研制的64元相控陣天線

05

Anokiwave是毫米波相控陣行業引領者,它利用自研芯片設計了毫米波256元可重構全硅相控陣,DC+12V供電,重量約3kg,實現EIRP>1KW。

圖5:Anokiwave研制的毫米波相控陣天線

(二)國內毫米波有源相控天線發展現狀

國內因核心芯片和新工藝等限制,毫米波相控陣研制起步較晚,目前大多處于論證或預研階段,能見報道的很少。

01

中國電科某所研制的應用于5G毫米波通信和毫米波數據鏈的相控陣天線原理樣機,采用64元微帶陣列天線形式,性能指標未公布。

圖6:中國電科研制的毫米波相控陣天線原理樣機

02

缅甸玉和国际成都某公司采用硅基多通道芯片研制的毫米波相控陣,垂直線極化,發射EIRP≥dBm(法向),接收G/T值≥-5dB/K(法向),使用最大占空比30%。

圖7:成都某公司研制的毫米波相控陣天線樣機

03

北京某公司研制的毫米波相控陣天線,采用高密度集成一體化設計,實現了多通道天線最短收發鏈路的構建;采用多接口集成波控模塊,內置多組波束方向快速調整數據,輕松實現多種環境下的快速運用;配置多功能接口電纜,靈活與外部設備構建同步控制系統,輕松開發和測試無線鏈路。天線能夠實現二維±60度波束掃描范圍,發射RIRP大于50dBm,適用于5G毫米波通信。

圖8:北京某公司研制的毫米波相控陣天線

二、潤芯公司預研的硅基毫米波芯片

目前,潤芯公司預研的毫米波硅基芯片將集成功率放大器、數字移相器、數字衰減器、驅動放大器、低噪聲放大器、濾波器和功分網絡等,收發芯片能夠支持相控陣掃描的全部功能,可以與毫米波平面陣列天線組成相控陣天線射頻前端。

(一)發射通道芯片

圖9:發射通道芯片原理框圖

① 頻率:27.5-30GHz;
② 尺寸:<6*6*0.5 mm
③ P1dB:17dBm;
④ 支持左旋、右旋、線極化
⑤ 每個通道G>22dB;
⑥ 增益平坦度:2dB;
⑦ 效率>15%@P1dB;
⑧ 5bit數字移相:
⑨ 5bit數字衰減:
⑩ VSWR<1.8:1
? SPI數據控制接口
? 預留功率、溫度等檢測口

(二)接收通道芯片

圖10:接收通道芯片原理框圖

① 頻率: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、線極化;
⑥ 增益平坦度:2dB;
⑦ 效率>15%;
⑧ 5bit數字移相;
⑨ 5bit數字衰減;
⑩ VSWR<1.8:1;
? SPI數據控制接口;
? 預留功率、溫度等檢測口。

三、未來展望

缅甸玉和国际未來,用于5G和衛星通信的有源毫米波天線在未來幾年將實現空前的量產,那何種工藝才更利于實現量產呢?

基于GaAs或GaN工藝,IC位于天線陣列外的傳統相控陣方式雖然EIRP非常高,但損耗及自校準缺失所造成的接收性能差,成本很難降低;基于全硅多功能芯片的毫米波有源天線雖然每個單元的發射功率有限,但容易實現大規模生產,且制造成本低,是實現毫米波相控天線的必然趨勢。

綜上所述,展望未來,毫米波相控天線發展方向會朝著寬帶、共形和超材料方向發展:

缅甸玉和国际?  寬帶超寬帶陣列天線可廣泛應用于多頻段衛星通信系統,支持多波束使用,減少天線數量;

?  天線陣列、射頻元器件等與平臺一體化設計,天線作為載體的一部分,推動天線向小型化、集成化、低剖面、芯片化方向發展。

?  超材料技術通過人工對于某些復合材料的微結構設計,使材料具備了超出自然材料的某些電磁波響應特性,天線向小型化、共形、隱身方向發展。

作者:徐永杰
圖片:來源于網絡
來源:廣州潤芯信息技術有限公司
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