呂思涵，何宇奇，趙魯豫,**，張璐，凡澤興

（1.西安電子科技大學，陜西 西安 710000；2.西安朗普達通信科技有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

在2019 年世界無線電通信大會（WRC-19）之后，面向5G 應用的毫米波（mm-wave）技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，其中一系列全球統(tǒng)一的國際移動通信（IMT）毫米波頻段劃分已經(jīng)完成。與傳統(tǒng)的Sub-6 GHz 天線相比，這些新發(fā)布的頻段為毫米波天線帶來了額外的設(shè)計規(guī)范和挑戰(zhàn)。隨著毫米波技術(shù)的日趨商業(yè)化，毫米波測量技術(shù)也逐漸開始。本文首先介紹了毫米波技術(shù)的需求和所面臨的挑戰(zhàn)，詳細地闡述了毫米波技術(shù)的利弊，并結(jié)合毫米波技術(shù)的前沿發(fā)展，本文設(shè)計出了一款雙頻雙極化毫米波模組天線，該天線陣可以同時覆蓋N258-N261 的5G NR 頻段，且具有較好的掃描能力，與現(xiàn)有的典型天線陣列設(shè)計相比，所設(shè)計天線陣列的隔離度和掃描能力都得到了提升。文章還給出了毫米波測量技術(shù)考量和不同的測試系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款毫米波測量系統(tǒng)，然后結(jié)合所設(shè)計的測量系統(tǒng)給出了本文所設(shè)計的毫米波模組的評估效果。

1 毫米波天線的需求及挑戰(zhàn)

1.1 5G毫米波通信頻段的發(fā)展規(guī)劃

5G 中的一個關(guān)鍵技術(shù)是高頻段（毫米波）傳輸。傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)包括3G、4G 移動通信系統(tǒng)，其工作頻率主要集中在3 GHz 以下，頻譜資源已經(jīng)異常擁擠。而工作在高頻段的通信系統(tǒng)，其可用的頻譜資源非常豐富，更有可能占用更寬的連續(xù)頻帶進行通信，從而滿足5G 對信道容量和傳輸速率等方面的需求[1,4]。因此，世界無線電通信大會WRC-15，除了確定了470—694/698 MHz、1 427—1 518 MHz、3 300—3 700 MHz 以及4 800—4 990 MHz 作為5G 部署的重要頻率之外，又提出了對24.25—86 GHz 內(nèi)的若干頻段進行研究，以便確定未來5G 發(fā)展所需要的頻段[1,5]。在2019年世界無線電通信大會（WRC-19）上，各國代表就5G 毫米波頻譜使用達成共識：全球范圍內(nèi)將24.25—27.5 GHz、37—43.5 GHz、66—71 GHz 共14.75 GHz 帶寬的頻譜資源，標識用于5G 及國際移動通信系統(tǒng)（IMT）未來發(fā)展；在45.5—47 GHz 頻段，部分國家在腳注中標識用于IMT；在47.2—48.2 GHz 頻段，2 區(qū)（美洲區(qū)）國家和部分地區(qū)在腳注中標識用于IMT。大量連續(xù)帶寬的毫米波頻譜資源將為5G 技術(shù)在相應場景下的大規(guī)模應用提供有效支撐，為5G 相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展成熟奠定基礎(chǔ)，從而加速全球5G 系統(tǒng)部署和商用步伐。

目前大量部署的還是Sub-6 GHz 頻段，只有北美、意大利、俄羅斯和日本部署了毫米波的頻譜。但是，5G毫米波的商業(yè)部署也在全球各地逐漸展開。美國的幾大主流通信運營商包括AT&T、T-Mobile 和Verizon 都已經(jīng)提供了5G 毫米波的商用服務，包括日本NTT DoCoMo、日本KDDI、韓國SKT 在內(nèi)的多個運營商也已經(jīng)開始了5G 毫米波系統(tǒng)商業(yè)部署。GSA 表示，2020 年6 月，僅在24.25—29.5 GHz 頻譜范圍內(nèi)，全球已有42 個國家/地區(qū)的123 個運營商以試驗、許可證、部署或運營網(wǎng)絡(luò)的形式進行了5G 毫米波的建設(shè)。

中國早在2017 年7 月就在24.75—27.5 GHz 和37—42.5 GHz 的5G 毫米波頻率范圍內(nèi)使用5G 技術(shù)開展研發(fā)試驗。中國工業(yè)和信息化部在2020 年3 月《關(guān)于推動5G 加快發(fā)展的通知》中明確指出，將結(jié)合國家頻率規(guī)劃進度安排，組織開展毫米波設(shè)備和性能測試，為5G 毫米波技術(shù)商用做好儲備，適時發(fā)布部分5G 毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。2019 年以來，中國IMT-2020（5G）推進組統(tǒng)籌規(guī)劃，分三個階段推進5G 毫米波的試驗工作：2019年重點驗證5G 毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性；2020 年重點驗證5G 毫米波基站和終端的功能、性能和互操作，2020 到2021 年開展典型場景應用驗證。

從圖1 中可以看到，5G 毫米波可以提供四倍于5G Sub-6 GHz 中頻的速率，而5G Sub-6 GHz 中頻，又可以提供五倍于4G LTE 和5G 低頻的速率，也就是說，5G毫米波的平均速率可以達到4G LTE 的20 倍以上。當然，從圖中還可以看到，相較于速率的對比，5G 毫米波的覆蓋面積是最小的，而5G 的Sub-6 GHz 中頻次之，覆蓋能力最強的，還是4G LTE 和5G 的低頻段，這也就是為什么進入5G 時代，700 MHz 的頻段依然是各個運營商垂涎的“黃金頻段”。

圖1 4G、5G中頻與5G毫米波的覆蓋和速率比較

1.2 毫米波的傳輸特性

毫米波天線技術(shù)應用于5G 移動通信，是一柄雙刃劍。因為毫米波超短的波長，可以使毫米波天然地具有集成射頻器件、實現(xiàn)緊湊封裝的優(yōu)勢。可以把非常多的天線集中在非常小的區(qū)域內(nèi)，且方便使用高指向性的波束賦形技術(shù)。

然而毫米波超短的波長，使得其大氣衰減相較于低頻更為嚴重，必須更為謹慎地選擇通信頻段。從圖2 可以看到，在24—30 GHz 的頻段范圍內(nèi)，有一個明顯的傳輸窗口，這一頻段也就自然而然成為5G 毫米波的首選頻段。即使選用24—30GHz 的頻段，也可以明顯地看到，該頻段的衰減也明顯大于6 GHz 以下頻段。

圖2 微波毫米波波段的大氣衰減

利用Friis 傳輸公式，理解毫米波的傳輸特性就比較容易，如圖3，假設(shè)收發(fā)天線面對面放置，發(fā)射天線和接收天線增益分別為Gt和Gr，發(fā)射和接收天線的等效口徑為。那么，可以分別計算式發(fā)射和接收天線的增益為：

圖3 收發(fā)天線傳輸特性計算模型

將式(1) 和式(2) 代入式(3) 中，可以得到：

式(4)實際上可以說明，如果保持收發(fā)天線口徑不變，接收天線的功率反而和頻率平方成正比。但是為了和低頻的天線保持一樣的口徑，在毫米波段，必須采用組陣的方式，用更多的單元組成的高增益陣列，來對抗路徑損耗。因此，高增益、有自適應波束形成和波束控制能力的天線陣列，自然成為5G 在毫米波段應用的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

2 應用在實際手機終端中的毫米波天線需求及實例

2.1 5G手機終端毫米波天線的要求

毫米波技術(shù)由于其更寬的絕對帶寬，被認為是進一步提高可用數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵技術(shù)。然而，與Sub-6 GHz的頻帶相比，5G 毫米波頻段在傳播損耗、覆蓋范圍和通信阻塞等方面都面臨著挑戰(zhàn)。因此，在基站和移動終端中都需要毫米波天線陣列的高增益和波束控制能力。

在如圖4 所示的旗艦5G 移動終端中，包含了20 多個天線，包括4 個LTE 高頻段、4 個5G N1/N3/N38/N41 天線和4 個5G N77/N79 天線以支持4×4 MIMO 操作、2 個或更多支持雙頻和雙MIMO 模式的Wi-Fi 天線、2 個覆蓋中低頻段的LTE 天線，以及至少1 個GPS 天線。顯然，由于存在Sub-6 GHz 天線、金屬邊框和全面屏，毫米波天線陣列的空間非常有限?？紤]到用戶手部遮擋和毫米波的覆蓋范圍，至少需要2 個毫米波陣列。通常在圖4 中，安裝毫米波陣列的最佳區(qū)域標記為區(qū)域5/6。因此，十分需要具有高增益、寬掃描角度和緊湊尺寸的毫米波天線陣列。而與傳統(tǒng)的Sub-6 GHz 天線相比，這些新增的多個毫米波頻帶為天線帶來了額外的設(shè)計規(guī)范和挑戰(zhàn)，尤其是在移動終端的場景中。為了克服毫米波段相對較高的路徑損耗并提高波束覆蓋能力，寬角掃描相控陣是移動終端應用毫米波天線設(shè)計的首選解決方案。同時，毫米波天線陣列應該覆蓋盡可能多的毫米波頻段。因此，毫米波天線陣的雙頻/多頻設(shè)計成為必然。另一方面，為了實現(xiàn)多輸入多輸出（MIMO）操作并緩解多徑衰落效應，還需要雙極化的天線陣列。因此，移動電話中的毫米波天線需要具有雙極化功能的多頻帶覆蓋性能，同時必須在有限的尺寸內(nèi)構(gòu)造以形成緊湊的天線模塊。這樣的設(shè)計規(guī)范，不僅對學術(shù)界，而且對工業(yè)界，都是非常具有挑戰(zhàn)的。

圖4 5G時代具有金屬邊框和全面屏的移動終端的各種頻帶天線模塊的位置

2.2 商用毫米波手機及天線模組分析

2018 年底，美國高通公司推出旗下的第一代QTM052 毫米波天線模塊[8]，如圖5 所示，它具有波束成形、波束控制以及波束跟蹤技術(shù)，支持26.5—29.5 GHz（n257）、27.5—28.35 GHz（n261）和37—40 GHz（n260）毫米波頻段。

圖5 高通公司的第一代及第二代毫米波模塊（與1美分硬幣比較）

三星公司的S10 手機成為首款采用5G 毫米波芯片組通信的手機，它使用了三個高通公司的毫米波天線模塊。如圖6 所示，高通公司毫米波模塊QTM052 采用了堆疊貼片和寄生貼片的設(shè)計用于提高工作帶寬，同時配備了偶極子天線和貼片天線用于在兩個方向?qū)崿F(xiàn)信號覆蓋，在兩個天線單元之間還設(shè)計了周期性排列的貼片用于提高整個天線陣列的隔離度。整個天線模組的尺寸為4.81×19.03×2 mm3。此外，如圖7 所示，美國蘋果公司在2020 年底發(fā)布的iPhone12 中也采用了多個毫米波模塊，可以看出部分毫米波模塊的天線采用了高低頻分離的設(shè)計，但是由于手機內(nèi)部的空間非常有限，這樣無疑使得占用的尺寸進一步增大。

圖6 高通公司毫米波模塊QTM052結(jié)構(gòu)分析

圖7 蘋果公司iPhone12中的毫米波模塊

目前可以看到，無論是高通公司還是蘋果公司，采用的毫米波天線模組、毫米波天線本體都是采用基本的PCB工藝，再和毫米波的前端進行二次封裝，最終毫米波天線模組輸出頻段在Sub-6 GHz 的IF（中頻）信號，輸出的接口通常是IPEX 接口。目前從公開渠道獲取的信息，高通已經(jīng)發(fā)布了更新一代的毫米波天線模組：QTM545 及QTM547，其中QTM545 專門針對手機終端的應用，而547 則主要針對CPE 等應用。相比于QTM525 的模組，545 在長度上增加了0.8 mm，寬度上減小了0.7 mm，而高度略有增加，最終的封裝尺寸為23.8 ×3.5 ×2.15 mm，直接支持n257/n258/n260/n261 四個頻段。最終的天線單元個數(shù)從4 個增加到了5 個，而最終的EIRP 大于32 dBm。

圖8 為毫米波天線模組的構(gòu)成框圖。

圖8 毫米波天線模組的構(gòu)成框圖

2.3 一種緊湊寬掃描的毫米波雙頻雙極化天線設(shè)計

在文獻[10]中，提出了一種本課題組設(shè)計的緊湊的雙頻雙極化毫米波貼片天線陣，它具有良好的隔離度和波束掃描性能。采用電容饋電技術(shù)和寄生貼片的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該天線陣列能夠在低頻和高頻獲得較寬的工作帶寬。天線單元的結(jié)構(gòu)如圖9 所示，其中頂部的較小的貼片（圖9（b））用于產(chǎn)生較高的諧振頻率，而底部的尺寸較大的貼片（圖9（c））用于產(chǎn)生較低的諧振頻率。天線單元采用雙探頭饋電方式實現(xiàn)±用雙探線極化。此外，為了增加工作帶寬，饋電探針通過2 個圓片將能量耦合到底部貼片，其圓片是通過在底部貼片上切割2 個環(huán)形槽來實現(xiàn)的。與直接將饋電探針連接到貼片相比，這種間接饋電會帶來額外的電容，以抵消探針饋電的感應性。此外，底部方形貼片的4 個角被切割，用以進一步微調(diào)其諧振頻率并減少貼片的占地面積。頂部貼片在39 GHz 頻段工作，其阻抗匹配和更高的增益是通過在貼片的中間開一個方孔來實現(xiàn)的。此外，在頂部貼片周圍引入4 個彎曲的寄生條，以在41 GHz 頻帶附近產(chǎn)生額外的諧振模式，從而拓寬天線單元在高頻處中的工作帶寬。

圖9 文獻[10]中提出的毫米波天線單元的幾何結(jié)構(gòu)

如圖10 所示，為了減少陣列的占地面積，并提高2個波段的波束掃描性能，在26 GHz 下，將元件間距縮小到小于0.36 波長。由于陣元間距較小，為了提高陣元之間的隔離度，采用了2 種有效的解耦方法，從而將陣列的隔離度提高了6-15 dB。

圖10 文獻[10]中具有解耦結(jié)構(gòu)的4單元貼片天線陣

如圖11 和圖12 所示實測和仿真結(jié)果表明，該天線陣可以同時覆蓋n258-n261 的5G NR 頻段。反射系數(shù)和隔離度的實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果一致，表明了該天線陣列在5G 毫米波終端通信中具有巨大潛力。

圖11 文獻[10]中天線陣列的實測S參數(shù)

圖12 文獻[10]中天線陣列的仿真S參數(shù)

3 毫米波關(guān)鍵性能測試與評估

隨著5G 通信技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、星聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸演進，對于毫米波頻段的無線通信、雷達、遙感遙測等方面的應用需求越來越迫切，對該頻段無線性能的評估就顯得尤為重要。無論是5G 毫米波頻段的終端、CPE等設(shè)備采用的天線前端，還是車載雷達以及衛(wèi)星系統(tǒng)，均需要精準高效的OTA 測試系統(tǒng)。

對于研發(fā)人員來說，便攜高效的OTA 測試系統(tǒng)是他們夢寐以求的，能夠在研發(fā)階段快速評估天線及無線性能；另外，針對產(chǎn)品產(chǎn)線，又需要搬運方便且測試精準高效的快速評估系統(tǒng)。所以，毫米波的測試系統(tǒng)，往往不同于傳統(tǒng)的微波暗室，需要兼顧精準度、移動性、速度和便捷性。

3.1 測試方案考量

毫米波測試方案，首先考慮的就是場區(qū)（圖13）。理想的測量場地應該滿足均勻平面波條件，即等相位面是一個平面，并且在電磁波傳播的方向上沒有幅度衰減。天線的方向圖、增益、極化等電參數(shù)測量是在滿足遠區(qū)距離條件的外場進行的。根據(jù)天線遠場測試條件可知，當目標尺寸D很大而波長λ很短時，測試距離R必須很大，有些天線的最小測試距離可能需要幾公里乃至幾十公里，實際中無法實現(xiàn)。另外，外場測試還存在受氣候影響大、保密性差、背景電平高等缺點；而室內(nèi)遠場，又礙于毫米波衰減、空損和精準度的要求，顯得尤為不便。

圖13 天線輻射場區(qū)劃分

3.2 近場測試系統(tǒng)

在Sub-6 GHz 最典型的近場測試系統(tǒng)就是球面近場多探頭測試系統(tǒng)，如圖14 所示的法國MVG 公司產(chǎn)品，是行業(yè)內(nèi)最早推出的毫米波多探頭測試系統(tǒng)。

圖14 法國MVG推出的18-50 GHz球面多探頭近場測量系統(tǒng)[11]

該系統(tǒng)在圓環(huán)上布置多個測試探頭，通過電子開關(guān)的切換，實現(xiàn)了不同位置的輻射近場采樣，再利用近遠場變換算法，實現(xiàn)遠場外推。由于電子開關(guān)的切換比較快速，所以該系統(tǒng)測試效率極高，為低頻段中業(yè)內(nèi)所青睞，成為了最主流的移動通信OTA 設(shè)備。但是一旦上升到毫米波段，根據(jù)空間采樣定理的要求，如果繼續(xù)按照低頻多探頭系統(tǒng)的原則，那么就要在比較近的間距排布非常多的探頭，一方面制造成本上升，另一方面探頭之間的互耦會對最終的測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。目前解決這種問題的辦法是，探頭之間保持一定距離，然后采用過采樣的方式，也就是整個裝有多探頭的圓環(huán)，相對于待測物做相對運動，通過多次改變多探頭的位置，等效實現(xiàn)了較密的采樣。表1 給出了不同頻段最大的待測物尺寸與過采樣倍數(shù)的關(guān)系，可以看到，在50 GHz 頻段，如果要實現(xiàn)大于300 mm 的待測物測量，需要至少15 倍的過采樣。

表1 不同頻段最大的待測物尺寸與過采樣倍數(shù)的關(guān)系

除了采用多探頭，實際上，近場測試也可以用單探頭配合能夠進行圓周運動的機器進行。通過空間上移動探頭，實現(xiàn)了滿足采樣要求的多個空間位置的采樣，如圖15 所示，為朗普達科技的單探頭近場測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖15 朗普達采用搖臂實現(xiàn)圓周運動的單探頭測試系統(tǒng)LMDMTS-112及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)[12]

3.3 毫米波陣列波束覆蓋能力的評估

在前述的單探頭近場測試系統(tǒng)中，想要評估完整的毫米波天線陣列的波束掃描能力，還需要額外的設(shè)備幫助，以便于對天線實現(xiàn)指定的配相。棱研科技的波束成型控制器就是比較好的選擇。

BBox 16 個端口單獨可控，可獨立調(diào)整每一通道的相位以控制波束掃描，還可調(diào)整各通道的幅度以抵消線損，如圖16 所示。將圖10 中的四單元雙頻雙極化毫米波天線陣列，通過SPMP 電纜連接到BBox 的端口上，再一起放置到LMD-MTS-112 系統(tǒng)的DUT 轉(zhuǎn)臺上，如圖17 所示。通過軟件配置不同的相位組合，再利用圖18 的測試軟件控制測試及提取測試數(shù)據(jù)，最終可以得到圖19所示的測試波束圖。從圖19 的（a）與（b）的對比中，可以看到實測與仿真的吻合度非常好。為了更好地將陣列的掃描能力可視化，分別在26 GHz 和38 GHz 仿真了將圖10 中所示陣列放置在手機殼體短邊的3D 方向圖，并將典型的掃描波位方向圖分別展示在圖20 和圖21 中。

圖16 棱研科技的BBoxTM One波束成型控制器[13]

圖17 在單探頭近場測試系統(tǒng)中采用BBox實現(xiàn)一個四單元雙極化陣列的掃描能力評估

圖18 LMD-MTS-112系統(tǒng)的測試軟件及近場采樣數(shù)值

圖19 圖10中所示陣列的單極化在26.6 GHz時的掃描波束圖

圖20 圖10所示陣列的正45°極化在26 GHz的3D掃描方向圖（掃描φ角，固定θ=90°）

圖21 圖10所示陣列的正45°極化在38 GHz的3D掃描方向圖（掃描φ角，固定θ=90°）

4 結(jié)束語

本文闡述了5G 毫米波技術(shù)的發(fā)展狀況和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并給出了5G 毫米波技術(shù)背景下的毫米波商用實例，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款性能更加優(yōu)良的毫米波陣列天線，結(jié)合所設(shè)計的毫米波測量系統(tǒng)，給出所設(shè)計天線的具體評估效果。接下來，將進一步研究毫米波的其它關(guān)鍵技術(shù)，包括毫米波頻段下的一維、二維寬角掃描、單頻單極化和雙頻雙極化寬角掃描。