袁小林
重庆市信息通信咨询设计院有限公司 重庆 400041
摘 要：提出了一种适用于第五代(5G)无线通信的宽带小型天线阵列封装设计方案。本文提出的天线采用单极子锥形辐射器设计，使天线尺寸小型化、带宽扩展、馈电网络简化。提议的 AiP 设计是足够宽带覆盖所有3个5G 新无线电波段同时。采用高精度、高分辨率的多层玻璃封装制作方法，并采用新型低损耗聚合物涂层实现电路。工作频带为24.25ー40GHz，分数带宽为49%。天线单元总体尺寸为3.05mm×5.56mm，等于0.25λ0×0.45λ0。测得的S11在整个带内小于-10db，增益大于4dbi。利用所提出的单元还演示了一个在整个带内增益大于6.2dBi的二乘一阵列。与以前的工作相比，拟议的AiP设计可以涵盖所有5G频段具有竞争力的规模。因此，它适合应用于大规模阵列，易于集成到封装中，以实现紧凑的封装系统应用，同时解决当前众多的5G挑战，包括毫米波(毫米波)路径损耗和传输损耗。
关键词：5G移动通信小型化天线阵列设计与应用
引言
随着新5G无线通信技术的发布，出现了许多机遇和挑战。毫米波(mm波)频率的采用和更宽的频谱为5G通信提供了更高的数据速率、更低的端到端延迟以及同时连接更多用户的能力。这些优势被用来推动新兴技术的发展，包括自动驾驶和物联网。然而，高的空中路径损耗和高的传输损耗在毫米波范围内的电路板仍然是巨大的挑战。在毫米波频段设计用于5G实现的半导体电路提出了许多独特的挑战，特别是因为毫米波频段的电磁波传播特性与射频低频段的传播特性有很大不同。CMOS有源元件和无源元件在如此高的频率下的行为也是相当不同的。
一．5G移动通信小型化天线阵列概述
5G 无线标准涵盖不同频带的频谱(特许、共用及无牌) : 低频带(< 1GHz)、中频带(1-6GHz)及高频带/毫米波(> 24GHz) 这些无线标准对射频前端提出了非常严格的要求。在5G 前端最关键和最具挑战性的设计块是 LNA 。在毫米波频率下，由于硅基 lna 正在达到其性能极限，其他半导体材料和工艺(SiGe、 SOI 和 GaAs)正在探索之中。但是，对于中低频段，仍然可以满足5G 性能指标的要求。因此，需要在工作带宽上满足 NF (< 3db) 、增益(> 15db)、 P1dB (>-20dBm)、 IIP3(> + 0dbm)的最低要求，并且消耗较低的功耗。该 LNAs 还应提供低电源电压(VDD)的高性能，以配合他们的新技术的下降趋势。
对于低电压、低功耗的电路设计，在一个或多个参数之间进行权衡是不可避免的。低 VDD 对可用电路拓扑结构也有一些限制，此外，无感应器的实现占用较少的核心区域是首选。 随着通道长度的减小，纳米级 CMOS 工艺提供的内禀增益越来越小。自共源共栅(SC) mosfet 可以减小沟道长度调制效应，并且具有更好的 gm 和 rout 特性，从而提高电路性能。它们以前在OTA中用于实现更高的增益，在 LNA 中用作增强带宽和增益的共源码块 。 相同的栅偏置给予晶体管 M1，M2，迫使 M1到三极管，而 M2保持在饱和取决于它们的大小。
毫米波波束形成技术已成为解决高空路径损耗问题的一种流行方法。与此同时，封装中的天线技术(AiP)仍然是减少毫米波范围内高传输损耗的一种有吸引力的解决方案。毫米波射频集成电路(RFIC)嵌入在一个腔体内，放置在靠近AiP设计，而其他低频集成电路可以倒装芯片在更长的距离上结合。由于最初的星载天线阵列现在转移到AiP设计，互连长度和由此产生的射频集成电路和天线之间的传输损耗大大减少。综合考虑波束形成和波束形成两方面的因素，有必要在整体尺寸足够小的情况下，采用能够提高增益值和波束形成能力的大规模阵列。目前的5G新无线电(NR)标准使用三个不同的频段:n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.5GHz)和n260(37-40GHz)。如果覆盖每个波段的三组天线阵列必须集成到一个单独的封装中，则必须减少每个阵列中的单元数目，从而降低增益值和波束形成能力。因此，为了减少阵列的集合并获得更好的性能，有必要进行宽带和小型化的AiP元件设计，其中包括24.25-40GHz的所有三个波段。
二．5G移动通信小型化天线发展现状
2.15G移动通信小型化天线研究历程
蜂窝移动通信经历了从1980年代的1G到2010年代的4G的四代演变和商业部署。1G，第一代模拟移动通信于1979年在日本东京由日本电信电话公司(NTT)商业推出[2]。1G介绍了现代蜂窝概念的多个小区站点与可能的呼叫转移这些站点之间允许在呼叫流动性。自从这种现代蜂窝通信技术诞生以来，研究界已经克服了许多挑战，如低频谱效率、低数据率、蜂窝网络有限的网络容量，以达到目前的实现阶段，在这个阶段，设备之间可以进行几乎为零的延迟和中断以及高精度的通信。通过对文献的简要概括，我们可以发现2g于1991年在芬兰发布，除了频分多址(FDMA)之外，它还采用了诸如时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等数字调制技术来改善频谱效率。虽然最初的重点是确保语音的无缝传输和接收，但随后扩大了范围，以便更好地与2G进行数据通信。最初报告的数据通信值仅限于100千比特每秒，远远低于实际需要，因此无法使用该技术运行任何种类的多媒体应用程序。将3G技术引入宽带CDMA蜂窝网络的持续努力，通过将3G网络的速度提高到约2Mbps，帮助克服了3G数据传输的速度限制。提高数据速度成为可能，不仅是因为无线接入方案的改进和更多的信道带宽，还因为通过分配额外的载波频率，增加了网络容量和覆盖率。第三代移动通信技术为第四代移动通信技术铺平了道路，利用空间复用技术和多天线传输系统进一步提高了网络的质量和容量。长期演进(LTE)-先进的，真正的4G于2009年在瑞典和挪威推出，它采用了多输入多输出(MIMO)，正交频分多址(OFDM)，自适应波束形成天线阵列的无线接入技术。4G还支持异质网路无线通信，这是一个集成了不同的无线通信技术，以尽量减少拥塞控制。在4G网络中，可以实现高达100mbps的移动数据传输速率。
毫米波5G网络将通过提供更高的速度和更好的容量来改善用户在消费设备上的体验。一些消费者的应用，是设想包括AR/VR游戏具有极低的延迟，流3D8K视频在100帧每秒等。另一个重要的应用领域包括未来的物联网应用，它允许设备之间的大规模机器对机器通信，而不需要任何人为干预。这些应用程序将产生大量的数据，需要大量的带宽来支持这种数据洪流。智能能源网络、综合交通系统、智能家电、工业自动化是大规模机对机通信系统的一些例子。此外，某些被称为任务关键控制应用的物联网应用程序将需要极低的延迟和非常高的运行可靠性。这种应用也可以用5G，包括自动导航车、远程医疗程序、遥控无人机和机器人等等。毫米波频率在5G蜂窝移动通信系统中得到了广泛的应用。1975年，毫米波频率首次被日本用于卫星通信和遥感。1999年，梅赛德斯引进了77GHz的汽车雷达，用于执行诸如避免碰撞、自动停车、盲点探测和可能的自动驾驶等功能。军用车辆也采用毫米波系统的应用，如主动防护雷达，监视雷达，高数据速率(>100mbps)的无线电移动自组织网络等。
2.25G移动通信小型化天线发展阶段
现代蜂窝通信系统有两个关键的发展趋势，它们有助于克服毫米波频率的所有传播相关限制。第一个是通过使用大规模MIMO等光谱复用技术，缩小蜂窝网络中的小区尺寸，以增加频谱效率。蜂窝结构在移动网络中被用来实现频率重用的概念，其中相邻的小区(或小的地理区域)被分配不同的频率组来增加网络容量。
第二个趋势是使用自适应波束形成技术，使用可操纵天线具有高的方向性增益。由于毫米波频率的小波长，可以在小截面上放置大量的天线单元以获得高的方向性增益。
三．5G移动通信小型化天线技术优化
3.1传统技术缺陷分析
由于移动数据流量/吞吐量的雪崩，连接终端的急剧增加，以及用户需求的更大差异，第五代(5G)通信系统被敦促向毫米波频谱移动。此外，移动终端的外形越来越薄，功能也越来越多样化。现时，流动终端必须装设最少2G-4G天线、Wi-Fi天线、全球导航卫星系统(GNSS)天线、近场通讯(NFC)天线及5G天线。只有非常有限的空间预留给5G天线，无论是在6GHz以下还是毫米波频段。在相互邻近的地方安装多个天线会产生强烈的互耦和低辐射效率。天线元件之间的距离越大，体积就越大。因此，降低天线阵元之间的距离以及由此产生的互耦作为一种小型化天线阵的方法已经成为一个非常热门的研究课题。
由于电磁能量的氧吸收，57-64GHz毫米波段在干燥空气中受到严重衰减[25]。在60GHz时，氧吸收引起的衰减峰值为15db/Km。由于水蒸气的存在而导致的毫米波频率的衰减也如图2所示。这个衰减曲线已经得到了7.5g/m3的蒸汽密度。可以观察到，164-200GHz的频段受到水蒸气吸收的影响，在180GHz左右的峰值衰减值可达30db/Km。因此，这两组毫米波频段(57-64GHz和164-200GHz)不能用于蜂窝通信。然而，5G(28GHz和38GHz)所需的毫米波频率也会受到以下特殊情况的影响：
①强降雨造成的衰减严重影响信号在几百米以外的传播；
②信号传播路径中存在树木、植被等造成的渗透损失；
③户外建筑材料和结构如砖墙、混凝土柱子、灰浆等造成的渗透损失；
④由于木材、透明玻璃、家具等室内建筑材料造成的渗透损失；
⑤户外环境中的信号反射严重阻碍非视线通信[NLOS]。
此外，断电、散射、阴影、多普勒扩散是毫米波频率信号常见的一些不利的波的传播现象。
3.2技术革新
超大规模集成电路工业一直遵循摩尔定律，以满足日益增长的制造更快微处理器的需求，这导致了过去几十年CMOS技术的大规模扩展。高频射频和毫米波通信应用也得到了CMOS缩放的好处，这种缩放最初是用于数字应用的，因为MOSFET的过渡频率(fT)随缩放而显著增加。目前，nMOS>150GHz的过渡频率或单位增益电流频率是相当标准的，这使得使用CMOS实现高频电路成为可能。
CMOS传输线可以设计成两种类型。第一个是微带传输线，微带传输线的局限性在于接地平面接近信号平面，导致高电容品质因数(Qc)。因此，只有小值的电感可以用微带线来实现，因为电感品质因数会随着电感值的增大而降低。等人已经提出了一个可变长度的传输线，用于毫米波应用程序，使用55nmBiCMOS工艺实现。传输线的有效长度通过使用多个晶体管开关来改变，这些开关被放置在传输线的地面和不同的点之间。通过这种设计，可以得到不同的电感值，范围从74到110pH。第二种类型的传输线是共面波导微带天线(CPW)，它提供了比微带线更高的QL，但同时它占据更大的面积。CPW在信号线周围有两个接地面，通过改变接地面和信号线之间的距离，可以同时优化QC和QL。微带线在另一方面只提供固定的QL和QC。为了提高标准共面波导的性能，研究人员提出了不同的设计修改方案。阿里贡等人提出了一种采用CMOS工艺技术的超慢波共面波导毫米波应用。设计采用了互数字化短柱加载信号线和开槽接地屏蔽。与传统的CPW相比，该设计声称损耗低，尺寸减小。
对于高频毫米波应用，如使用GaAs，InP，GaN等半导体技术提供了比CMOS技术更好的性能，因此是毫米波电路实现的自然选择。GaAs/InP具有更高的电子迁移率、更高的功率增益、更低的噪声和由于衬底电阻率高而产生的体效应，因此可以利用III-V技术实现高q值的钝化。同时，CMOS工艺存在许多固有缺点，如衬底电阻率低(10ω-cm)导致信号损耗，多晶硅栅片电阻高(约10ω/m2)导致电路噪声增大，功率增益低。然而，GaAs，InP的热导率比CMOS低，因此GaAs和InP的器件密度比CMOS低。氮化镓的热导率可与硅相媲美，而且击穿电压也非常高。宽带间隙GaNHEMT因此是在毫米波频率下实现功率放大器的理想选择，因为它在这些频率下具有更高的功率附加效率。
四．5G移动通信小型化天线应用探究
4.1天线单元及阵列设计
由于全球带宽不足，无线服务供应商需要为其所有客户提供更好的性能，同时也需要引入新的功能以满足移动用户的需求。由于无线通信已经发展到4G，未来为了处理流量问题，引入了带宽不足和5G服务质量的概念。在开发5G手机时，设计一个适合5G技术的天线是非常重要的。为了检验5G技术的适用性，必须对天线的各种参数进行测量。天线设计工作在毫米波频谱。天线采用CMOS工艺设计。此外，还采用了多输入多输出技术和自适应波束形成技术来提高4G到5G移动通信系统的性能。本文采用的核心基板为朝日玻璃公司(AGC)生产的100μmEN-A1玻璃。在35GHz时，介电常数为5.41，损耗角正切为0.006。由JSR公司开发的两层15微米的低损耗聚合物涂层在玻璃的顶部，以减少总损耗切线。这种新开发的材料具有较大的延伸因子和柔软性，可以有效地防止多层包装实现翘曲，并首次应用于玻璃包装过程。测量在32GHz，该低损耗聚合物的介电常数和损耗正切分别为2.8和0.0045。用铜实现了由M1和M2表示的两层金属。最后，在玻璃的底部涂上一层30微米厚的聚合物，以平衡重量和防止翘曲。
宽频带和小型化的AiP元件设计的几何形状如图1所示，物理尺寸为:CPW_w=0.62，CPW_gap=0.06，rad_w1=2.8，rad_w2=2.29，ref_gap1=1.2，ref_gap2=0.78，dirl=2.2，dir_gap=0.12，dir_w=0.4，ant_w=5.56，andant_l=3.05。如图1所示，与使用偶极子作为辐射源的传统准八木天线相比，所提出的天线单元使用单极子作为辐射源具有两个主要优点。一种是减小一半尺寸，另一种是取消差动馈电或平衡馈电的要求，进一步减小了馈电网络的尺寸，简化了馈电网络的设计。因此，一个简单的共面波导网络可以用来作为传输网络，减轻了宽带传输网络设计的困难。所述方形散热器在进料点附近具有锥形形状，用于拓宽工作带宽。
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图1AiP元件设计几何形状示意图
二乘一阵列设计的结构如图2所示。单元间距为9.6mm。在M2层增加地平面和通过阵列连接M1和M2，使用235μm节距和35μm直径，以确保所有地平面连接在一起。两级四分之一波长变压器用于馈电网络的阻抗匹配，各自的共面波导宽度、间隙和长度如图2所示。
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图2二合一AiP阵列的几何设计示意图
4.2加工方法分析
采用半加法图形化(SAP)工艺制作宽带小型天线阵列。SAP使精确的图案和精细的特征，如亚5微米铜的痕迹，因为尺寸稳定性和表面平坦的玻璃面板和能力，准确地控制厚度的电介质是旋涂到玻璃核心。玻璃板经过硅烷处理，以促进电介质与玻璃板之间的粘合，并防止整个制作方法过程中的分层。电介质旋涂在玻璃面板的两侧并固化。薄的钛作为屏障阻止铜迁移到基板上，铜种子层在干法刻蚀后用溅射工艺沉积，这样可以清洁电介质表面。虽然化学镀提供了一个粗糙的表面，因此，种子层和电介质之间的高粘附强度的锚定效应，溅射种子层和优化的液体电介质的结合也导致高粘附强度缓解表面粗糙度和导电损耗。下一步，面板是层压与干膜负光刻胶。带有光刻胶的面板按照优化的紫外线(UV)剂量时间进行图案化。然后，面板经过氧等离子体处理，去除镀铜图案下面的光刻胶。M2的金属图案是通过可控制的5-8微米金属厚度的SAP工艺进行的。然后旋涂所述第二介电层，所述第二介电层经与所述第一介电层相同的工艺。微孔是用紫外激光工具形成的。对激光条件，如功率密度和重复次数等进行了优化，在介质中钻孔35μm。微孔形成后，先用干式脱膜清洗表面，去除残留的聚合物，然后依次进行种子层沉积。最后，通过SAP工艺再次对M1进行金属图案化。如果需要的话，同样的工艺可以用来在玻璃的两侧划出金属的图案。
4.3实验结果及分析
利用AnsysHFSS软件进行了全波模拟计算。由于在毫米波范围内，微型a(SMA)连接器的寄生效应和影响是不可忽视的，因此SMA连接器的模块也包含在协同设计的模拟中，测量的S11在13.58至40GHz之间低于-10分贝。因此，24.25至40GHz的三个5G频带已获全数覆盖。此外，实验结果显示在整个5G波段内，测量的增益高于4dbi。测量的增益略高于模拟的，因为在模拟设计过程中，核心玻璃和JSR聚合物的损失切线值被设置为在频带内的最大值，而不是频率依赖性的下限结果。测量和模拟的归一化辐射模式在24.25GHz处最低，在40GHz工作频率处最高。虽然主光束方向并不总是在0°，但是在整个工作波段内它们非常接近。模拟的交叉极化结果也包括在内，在主波束方向上的交叉极化小于-15db。
对于天线阵列的测试仿真结果进行进一步分析，测得的S11在18.87~40GHz范围内低于-9db。与单元件设计相比，由于在馈电网络中插入了两级四分之一波长变压器以进行匹配，因而造成了较小的退化。然而，在整个5G波段内可以观察到良好的性能。在整个频带范围内，测得的增益大于6.2dBi。此外，归一化辐射图样中的光栅瓣是由于在40GHz处的元件分离距离相对较长，可以通过减小分离距离来改善。模拟的交叉极化结果也包括在内，它们在主波束方向上都小于-19dB。
进一步分析能够得出本文设计的小型天线阵列能够涵盖所有3个主要的5GNR工作频段从24.25到40GHz，同时保持一个小的形状因子。天线单元尺寸为3.05mm×5.56mm，相当于0.25λ0×0.45λ0，其中λ0为24.25GHz的波长。模拟、制作和测量了单元阵列和二乘一阵列的设计。采用新型高分子材料的玻璃多层封装实现了设计。在整个工作带内，阵列增益大于6.2dBi，阵元增益大于4dBi。证明了在e面和h面上的归一化辐射图样，并且在整个带内主光束方向是一致的。在主光束方向上的交叉偏振图样小于-15db。
五．小结
综上，设计更高效、更快的移动网络以支持指数级增长的移动数据流量的需求开辟了一个新的研究方向，即考虑使用最少探索的毫米波频段来构建未来的移动网络，即5G。本文详细介绍了不同时代的移动网络，进一步讨论了不同毫米波系统的应用以及影响5G实现的理想毫米波频率的传输特性。
参考文献：
[1]马浩添.基于5G通信系统中Y型平面单级子天线与小型化的研究及设计[D].吉林大学,2019.
[2]方小川.面向5G移动通信的天线技术研究及设计[D].电子科技大学,2018.
[3]吴锐.小型多模宽带基站天线研究[D].华南理工大学,2018.