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TechnicalFeature 技术特写

400 40 2500 140
Zero Feed Loss EIRP = + 68 dBmi
350 35 Zero Feed Loss G/T = +8.7 dB/k 120
2000 100
30
300
# Elements in Array 250 25 Oversize of Array (%) # Elements in Array 1500 Rx Noise Figure = 4 dB 80 Oversize of Array (%)
20
200
60
1000
150
15
Array Size = 1024
100
Array Size = 256
Imbedded Element Gain = 5 dBi
50 Power/Element = 15 dBm 10 500 Imbedded Element Gain = 5 dBi 40
20
5
0 0 0 0
0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5
Feed Loss (dB) Feed Loss (dB)
图3：为弥补馈电损耗，需要扩大阵列尺寸以达到所需的EIRP值。 图4：为弥补馈电损耗，需要扩大阵列尺寸以达到所需的G/T值。
发射等。另一个考虑重点是制造过程。 通过同时驱动天线柱的顶端和底端，可 张才能达到所需的G/T。本例为一个由
平面结构是一种低成本、高产能的表面 以得到双极化阵列。如此一来，阵列两 1024个单元构成的阵列，接收机噪声系
贴装技术。通过对天线PCB进行简单缩 侧的并联馈电对单元分别进行垂直和水 数为4dB，增益为+5dBi，馈电损耗为
放及调整单元数量，便可以实现用一条 平馈电。该架构的主要优点有： 2dB。若要保持+8.7dB/K的目标G/T值，
生产线打造适用于各个场合的不同尺寸 • 每个单元都具备高射频功率 整个阵列需要扩充到2019个单元（增幅
的天线阵列。 • 每N列只需要N条控制IC射频电路 97%）。接收端受馈电损耗影响较发射
新兴的毫米波有源天线均采用了两 • 由于IC位于阵列区域之外，不需要 端大的原因有两点：首先，接收端G/T
种主要平面架构。下面会对其进行具体 受到其尺寸限制。 值满足10log(N)，其中N为阵列中单元个
介绍，并比较相对优势及劣势。 最后一点对GaAs或GaN工艺来说非 数，因此前端的损耗需要更多单元才能
常重要，因为这两种半导体工艺的集成 补偿。其次，由图5可以看到，根据馈电
按列馈电阵列 度有限，无法将控制元件整合到毫米波 损耗和接收机噪声系数值的不同，馈电
第一种有源天线架构为按列馈电的 阵列的λ/2范围中。 损耗对G/T的影响可能会超过1dB/dB。
阵列（图2）。在这种结构中，控制IC位 当然，首先这种架构最明显的缺陷 毫米波接收机的噪声系数通常为3到
于阵列外部、进行一对一驱动；列中所 便是控制IC不位于阵列内，因此需要使 5dB，G/T随馈电损耗产生1.5至2dB/dB
有单元增益/相位设置统一。控制IC与发 用馈线来传输发射单元的射频能量，并 的变化，这意味着馈电损耗每产生1dB
射单元之间一般采取并联馈电结构。为 因此将插入损耗引入到无线电线路中最 的变化，G/T便会降低1.5到2dB。纵然基
简单起见，图2只展示了4*4的情况；实 不该出现的地方（如前端）。增加并联 于GaAs或GaN的按列馈电平面阵列具有
际生产中，行列可选取任意数字。 馈电网络的欧姆损耗，会对EIRP及G/T 较高的EIRP，但其接收性能很成问题。
控制IC能够单作发射端、单作接收 值（接收机噪声系数）产生很大影响。 按列馈电架构的另一个缺陷在于它
端，也可以与SPDT开关一起进行发送/ 为了弥补损耗，便不得不加大天线阵列 只能支持一维波束导向，即图2示例的方
接收时分双工（图2）。这种结构的一大 尺寸，这样一来又提高了成本。图2所 位（AZ）扫描。缺少二维波束导向对于
优点在于控制IC位于阵列外，所以其大 示的损耗为2dB，不过实际损耗需要参 前期的5G固定无线接入应用来说还不算
小和数量不会对整体产生大影响。因而 考馈线的布局情况。图3描绘了馈电损 大事；但对中低轨卫星通信系统（LEO/
可以采用高射频功率的GaAs或GaN来驱 耗对发射端EIRP的影响。随着损耗的增 MEO SATCOM）、移动卫星通信系统
动阵列，使得每个单元都具备极高的射 加，天线阵为了达到所需的EIRP，必 及城区密集的5G小基站而言，二维扫描
频功率，从而实现小阵列高发射EIRP。 须扩大尺寸。本例中，阵列共有256个 能力是必需的，按列馈电架构便不合适
单元，其中每个单元 了。
Noise Figure 发射功率为+15dBm， 采用 Ga As 和 GaN 工艺实现控制
1 dB 2 dB 3 dB 4 dB 5 dB 增益为+5dBi，馈电损 IC还有一大问题便是无法对电路的振
5.0
耗为 2d B 。 为了 维持 幅和相位变化进行自补偿。组件之间
4.5
+68dBmi的目标EIRP， |S 21 |和∠S 21 的变化分别可高达±2dB及
4.0 Feed Loss Receiver 该阵列的单元需要 ±100°，不能自调便意味着要对阵列进
G/T Slope (dB/dB) 3.0 (dB) Noise Figure 增加到 322 个（增幅 行校准，对天线系统而言又是一笔巨大
3.5
(dB)
26%）。EIRP值满足
的成本开支。
2.5
此外值得注意的一点是，仅有少数
20log(N)，其中N为阵
2.0
1.5
工艺，因此如果依赖于这种工艺，产品
过稍微增加几个单元便
1.0 列中单元数目。因此通 全球性供应商能实现6英寸GaAs和GaN
0.5 可以恢复先前水平。 大规模生产的成本便可能大大增加。毫
0 然 而 ， 馈 电 损 耗 米波频率下要求高精度的刻蚀，如电子
0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00
Feed Loss (dB) 对接收端影响更大（图 束栅极定型，这使得成本居高不下。最
4 ）。随着损耗的增 后，GaAs及GaN工艺均采用耗尽型半导
图5：不同馈电损耗及噪声系数下的G/T斜率。 加，阵列必须大幅扩 体技术，因此需要双电源正负电压，进
60 Microwave Journal China 微波杂志 Mar/Apr 2018