电子科大孙建旭, 程钰间 | 天线架构突破：面向毫米波通信的新型相控阵列阵

研究团队

孙建旭，程钰间：电子科技大学

研究意义

毫米波天线技术逐渐成为新一代无线通信系统实现更高速率、更低时延和更大容量信息传输的前沿技术。为了满足同时多用户信息交互需求，且能够灵活、快速地建立通信基站与终端用户之间的连接，毫米波宽带宽角扫描相控阵架构成为一种优选的通信射频前端方案。然而，随着工作频率的提高，天线的物理尺寸减小。此时需采用基于多层绝缘介质的封装技术，将天线、芯片等无源及有源器件高密度一体集成。一方面，多层绝缘介质中的非辐射表面波模式会与天线的辐射Floquet模式产生电磁互耦合，造成天线波束覆盖盲区。另一方面，高密度一体集成的有源/无源器件会导致大量难以散出的热能，严重时会造成射频前端器件无法正常工作。本文工作提出了一种新型阵列阵（array of array，AoA）架构，其在有效抑制天线波束覆盖盲区的同时，消除了稀疏激励相控阵天线的波束扫描栅瓣，实现了不小于51.3%的有源通道数量减少，由此大大缓解了毫米波高密度射频前端一体集成压力，可为新一代通信系统提供关键技术支撑。

本文工作

基于多层绝缘介质封装的毫米波射频前端集成工艺，如低温共烧陶瓷工艺、印制电路板工艺、嵌入式晶圆级封装工艺等，将使得天线暴露在高平均介电常数的物理环境中。这会导致介质中的非辐射表面波模式与天线辐射Floquet模式的电磁互耦合，进而使得天线在特定频率、特定扫描角度下出现波束覆盖盲区。为了解决这个问题，本文提出了一种新型的AoA架构。在该架构下，天线阵将被重组并定义为不同类别的辐射/非辐射元素，例如激励单元、非激励单元、寄生单元、位移单元和聚簇子阵等。这类似于对传统的相控阵天线进行重新排列组合，由此产生的新型阵列可以被描述为“阵列中的阵列”。由理论分析，AoA架构可以打破阵列中非辐射表面波模式与辐射Floquet模式间的电磁互耦合，在消除表面波导致的波束覆盖盲区的同时，避免了稀疏激励阵列波束扫描时栅瓣的出现。本文以一种由一驱二聚簇子阵构成的16×16相控阵天线为例，验证了所提出的理论技术方法和原理样机设计的正确性和有效性。

图1 一种由一驱二聚簇子阵构成的AoA架构

图1所示为一种由一驱二聚簇子阵构成的AoA架构。该架构下，传统相邻阵元间的渐进馈电相位关系被打破，转变为分组聚簇子阵同相馈电相位关系，由此破坏了表面波模式与Floquet模式的电磁互耦合关系。进一步，为了消除由阵列排布周期性造成的波束扫描栅瓣，本文采用了如图2所示的相位非规则馈电聚簇子阵技术，极大增强了天线子阵相位中心分布的非周期性。接着，本文采用一种改进的最大熵优化方法，对AoA架构下16×16规模相控阵天线的拓扑进行优化，最优排布结果如图3所示。该拓扑下，天线阵的辐射波束在方位面±60°、俯仰面±30°范围内均可实现无盲区、无栅瓣覆盖（如图4所示），且此时有源通道需求数量降低了51.3%。以76 GHz频点为例，相比于理想单元级馈电相控阵天线，由AoA架构下相位非规则馈电导致的天线方位面0°、15°、30°、45°、60°波束扫描的额外增益损失分别为0.74 dB、0.89 dB、1.09dB、1.38 dB和1.78 dB。

（a）传统聚簇子阵；（b）相位非规则馈电聚簇子阵

图2 不同类型的聚簇子阵

（a）优化前；（b）优化后

图3 AoA架构下的相控阵天线拓扑优化

图4 AoA架构下的相控阵天线波束成形效果

本文的创新点如下：

(1) 基于AoA架构，实现了毫米波相控阵天线方位面±60°、俯仰面±30°大角度、无盲区、无栅瓣波束覆盖，副瓣电平优于−10dB。

(2)基于AoA架构，实现了毫米波相控阵天线128规模单元级密布阵列向64规模聚簇稀疏阵列的转化，减少了毫米波相控阵射频前端有源通道需求数量51.3%，降低了系统功耗和集成复杂度，缓解了系统散热压力。

实验结果

本文基于多层印制电路板工艺设计并加工了一款基于AoA架构的16×16相控阵天线原理样机，且对该天线样机进行了实验验证。原理样机与实验结果如图5所示，其与理论预测结果吻合一致，证明了本文提出的理论技术方法、原理样机设计的正确性和有效性。

图5 AoA架构下的16×16相控阵天线原理样机及实验结果