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5G CAN:可扩展的双极化全向收发前端模块
录入时间:2023/9/14 16:44:47

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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1a所示,底层模块硬件如图1b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。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。6(a)显示了空气模式的天线匹配和去耦性能,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。7(a)显示了威尔金森分路器网络的简图及其分布函数。7(b)显示了垂直极化SIW信号在PCB上的网络路由。8(a)显示了威尔金森分路器散射参数大小的仿真结果。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。9(a)显示了垂直极化阵列(SIW)的仿真辐射特性,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。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。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。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。


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