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5G CAN：可扩展的双极化全向收发前端模块

Winfried Simon, Aline Friedrich, Oliver Litschke, Markus Krengel, Lutz Wunderlich, Michael Wleklinski, Thorsten Liebig and Simona Bruni, IMST GmbH

目前，许多商用手机都支持5G毫米波通信技术。尽管5G毫米波和6G频段被广泛商用，但其路径损耗较大。此外，信号从室外传播到室内时会发生强烈衰减。为了弥补这一缺陷并实现高网络容量，需要小尺寸的蜂窝小区。这些小区需要全向覆盖，并具有足够的信号强度。所有这些要求都建议使用相控阵和共形天线阵列。基于这些因素，IMST开发了一种可扩展的全向有源前端模块，称为5G CAN。5G CAN采用印刷电路板（PCB）技术，包括射频和直流电路，集成了一个金属块作为天线孔，并包括一个用于MMIC的散热器。该天线模块旨在用于评估套件，以支持5G/6G通信的开发，同时研究信号处理和传播方案。作为第二个用例，灵活、可扩展的概念可用作客户特定开发的基础。该概念为小型5G基站单元提供了出色的解决方案，可用于路灯等应用或展览现场等室内环境。

5G CAN概念

全向射频前端模块的频率为24.25至29.5 GHz，支持水平和垂直极化射频信号。所有天线波束均可通过USB接口直接控制，采用12V、120W直流电源。天线模块为圆柱形，可实现全向覆盖。集成在塑料外壳中的前端模块如图1（a）所示，底层模块硬件如图1（b）所示。

尽管目前许多前端模块都采用瓦片结构¹，并可实现高达±60度的扫描能力，但本模块采用砖块结构。如图2所示，这种砖式结构基于PCB和金属板的堆叠。最大优势在于可扩展和集成高效冷却的可能性。热管理是高度集成的相控天线阵列的一个主要方面，在设计的早期阶段就需要考虑。

在拟议的天线模块中，砖式结构基于四个圆形多层PCB，其中包括水平和垂直天线孔、有源电路和分配网络。天线PCB（包括波束赋形芯片）组合在射频背板PCB上，该PCB集成在圆形天线结构的中间。直流、控制和射频接口集成在天线模块的顶部。为了控制和直流电路，在顶部金属板上附加了一块PCB板。直流电压从12V转换为约2V，为内部芯片供电，微控制器用于SPI控制。SPI和直流信号直接连接到射频PCB。

两个射频输入信号（水平和垂直极化）被分配到每个天线PCB上的6个Anokiwave波束赋形芯片。为了提高不同通道之间的隔离度，水平极化和垂直极化信号分别位于顶层和底层。每个波束赋形芯片产生四个水平极化和四个垂直极化输出信号，这些信号的振幅和相位可独立控制。这八个输出信号为PCB边缘的辐射器提供信号。

PCB板之间堆叠了五块金属板，这些金属板可用作散热器、屏蔽结构和天线孔。为了减轻重量，这些金属板在非散热区域设计了空腔。通过在金属圆盘的中心孔和天线所在的圆盘外表面之间形成气流，增强了铝制部件的散热能力。天线阵列采用稀疏配置，以实现高集成度和出色的射频性能。

通过在叠层中增加更多的电路板和金属板，以及相应地修改控制板和直流板，这一设计很容易扩展。为了提高有效各向同性辐射功率（EIRP），可以修改天线PCB的直径和天线阵元数量。这一设计还支持将频率提升至39GHz（5G毫米波n260频段）。

射频天线阵列配置

图3(a)显示了单天线PCB。它的直径为93毫米，包含6个波束赋形芯片。每个芯片馈送四个双极化天线阵元。因此，共有24个垂直极化天线和24个水平极化天线。辐射器以15度角布置在PCB边缘。在5G CAN模块中，四块PCB叠加在一起，方位角旋转7.5度。这就形成了图3(b)所示的稀疏阵列配置。

在平行于堆叠PCB的水平面上实现了完全的全向辐射。这是通过从一个波束切换到下一个波束实现的。这种配置的3dB波束宽度为8.5度。空间上相邻的波束重叠，波束间的最大信号衰减约为2dB，这在大多数应用中似乎是可行的。根据不同的应用，增加或减少用于产生一个波束的辐射器数量也是可行的。用户可以通过调整控制软件来实现灵活的配置。通过调整波束赋形芯片各单元的馈电相位，可实现垂直方向的波束扫描，这与相控阵中使用的技术类似。这里描述的配置可实现±30度的仰角扫描。通过降低垂直方向上单个阵元的金属板高度，可以实现更大的扫描范围。天线模块的特殊配置允许同时在垂直面上单独配置和扫描四个波束。唯一的限制是波束不能重叠。

单天线辐射器设计

不同的模块如图4所示。垂直极化天线是以基底集成波导（SIW）天线的形式实现的。水平极化天线是一个部分填充的波导，内置于PCB顶部和底部的金属板中。图5显示了单个辐射器的细节。两个极化都集成在一个孔中。由于90度正交排列，两个极化之间的耦合在工作频率范围内可保持在-28dB以下。

垂直极化天线和水平极化天线分别采用微带线和带状线馈电。为了使极化之间和馈电线之间的耦合最小，这两条馈电线被布设在不同的层中。图6(a)显示了空气模式的天线匹配和去耦性能，图6(b)显示了SIW模式的天线匹配和去耦性能，包括与芯片的馈电网络。

在23至29.5GHz，所有垂直极化天线阵元的宽带匹配度（实线）均超过10dB。在24至29.5GHz，与所有其他芯片端口的隔离度（虚线）大于26dB。同样，所有水平极化天线阵元在23至29.5GHz的宽带匹配（实线）大于8dB，在24至29GHz的宽带匹配（实线）大于13dB。与所有其他芯片端口的隔离度（虚线）在23至29.5 GHz之间大于23dB。

分配网络

波束赋形芯片允许以6比特分辨率操作每个辐射器的相位和振幅。因此，相位值的分辨率为5.625度，振幅为32级。一个PCB板上所有波束赋形芯片的信号通过一个威尔金森分路器网络相加。为了保持较低的耦合度，垂直极化信号位于PCB的顶层，水平极化信号位于PCB的底层。两个信号都在微带线上路由。由于六路波束赋形信号无法在威尔金森分路器网络中平均路由，因此使用非对称威尔金森分路器来实现所有馈电信号的等幅分布。图7(a)显示了威尔金森分路器网络的简图及其分布函数。图7(b)显示了垂直极化SIW信号在PCB上的网络路由。图8(a)显示了威尔金森分路器散射参数大小的仿真结果。图8(b)显示了威尔金森分路器的仿真相位值。所有求和（sum）网络的路由相似，线路长度大致相同，以避免振幅或相位随频率变化。每条路径的相位值最大偏差为±2.5度，振幅变化约为±0.4dB。在整个工作频率范围内，输入反射系数低于-13dB。

在梳状网络的输入/输出端，微带信号通过SIW传输线传输至背板PCB，并在背板PCB上转换为带状线模式。每个极化的带状线路径在背板PCB的不同层上路由。背板PCB采用与天线PCB相同的8层堆叠。背板PCB上使用威尔金森分路网络对信号求和。在这种情况下，可以使用为平均分配而设计的四对一组合网络。合并信号被路由到背板PCB的短边。背板PCB上的带状线被路由至2.92mm同轴连接器，该连接器用于为5G CAN模块供电。

模块的整个射频设计是通过三维电磁仿真软件EMPIRE-XPU完成的²。第一步，所有单个部件（天线、PCB分路器网络、射频转换器、背板PCB等）都是独立设计的。接下来，对这些部件的集成进行仿真。例如，仿真Anokiwave波束赋形芯片，包括八个相应的天线阵元和天线馈电网络。最后，仿真整个模块，包括所有带元件和天线的PCB，以确保模块达到所需的射频性能。得益于高效的仿真技术和仿真软件，整个模块的仿真在几个小时内就完成了。

仿真结果

该模块在24.25至29.5 GHz的整个频率范围内均表现出色。96个天线波束实现了方位角的全向覆盖，其中48个波束用于垂直极化，48个波束用于水平极化。每个波束由4×6天线阵元组成，使用4块PCB，每块PCB有6个天线阵元。由此产生的3dB波束宽度约为方位角8.5度。图9(a)显示了垂直极化阵列（SIW）的仿真辐射特性，图9(b)显示了水平极化阵列（空气波导）在27GHz的相同结果。达到的指向性约为19dBi，在P1dB时的EIRP约为50dBm。

仰角扫描性能约为±30度，扫描损耗小于3dB。图10显示了一个波束在垂直方向扫描时的仿真三维辐射特性。

最多可支持四个同时发射的波束，每个波束从圆形模块的四分之一处发射。图11显示了在26GHz频率下两个同时垂直极化波束的仿真三维辐射特性。

测量结果

本文所述模块旨在用作5G和6G系统的开发平台。图12显示了垂直极化波束在方位角上的方向性仿真与测量结果。在扫描角度小于±20度时，结果显示出极好的一致性。较大扫描角度下的偏差似乎与校准有关。为了尽量减少这一问题，IMST仍在研究5G模块的最佳校准方法，预计随着校准方法的完善，与仿真的一致性将得到改善。随着校准方法的发展，将有更多数据可供使用。

结论

5G CAN前端模块是一种紧凑、灵活、可扩展的相控阵前端，可用于不同的5G和6G应用场景。所述模块的工作频率范围为24.25至29.5 GHz，覆盖n258、n257和n261 3GPP频段。该模块提供方位角全向覆盖和仰角±30度扫描。该设计可方便地扩大直径，以增加EIRP和波束数。还可将频率提升至39GHz，以覆盖5G毫米波频段n260。

参考文献

1.    W. Simon, D. Schäfer, S. Bruni, M.A. Campo, O. Litschke, “Highly Integrated Ka-Band Front-end Module for SATCOM and 5G,” 2019 IEEE APMC.

2.    A. Wien, “EMPIRE XPU Reference Manual,” assessed June 2023, Web: https://empire.de/resources/manual/.

图1 塑料外壳中的全向毫米波前端模块(a)。全向毫米波前端模块的硬件(b)。

图2 毫米波5G/6G前端模块砖式结构显示天线孔径排列。

图3 天线阵列PCB底面(a)。天线阵列波束结构(b)。

图4 5G CAN前端模块的构件。

图5 单辐射器概念

图6 垂直极化SIW天线性能显示芯片端口的匹配（实线）和隔离（虚线）(a)。水平极化空气波导天线显示芯片端口的匹配（实线）和隔离（虚线）（b）。

图7 具有分配功能的威尔金森分路器网络(a)。天线顶部PCB包括用于垂直极化的路由SIW网络(b)。

图8  垂直极化（SIW）下的仿真威尔金森分路器网络散射参数幅度(a)。垂直极化（SIW）下的仿真威尔金森分路器网络散射参数相位角(b)。

图9  27GHz时水平极化的方位角扫描性能(a)。27GHz垂直极化的方位角扫描性能(b)。

图11 两束天线同时工作时的三维辐射特性。

图10 28GHz垂直极化仰角扫描的3D辐射图。

图12 垂直极化波束在方位角上的仿真指向性与实测指向性。