淺談5G通信系統中毫米波的天線設計

2020-12-28 電子發燒友

淺談5G通信系統中毫米波的天線設計

電子元件技術網 發表於 2020-03-20 16:49:24

（文章來源：電子元件技術網）

眾所周知，5G將會擁有低頻段和毫米波兩個頻段，而毫米波的波長很短損耗很大，所以在5G通信裡面，我們必須解決這一問題。第一個方案是，襯底集成天線（substrate integrated antenna，即SIA）。

這種天線主要基於兩個技術：空波導傳輸的時候介質帶來的損耗很小，所以可以用空波導來進行饋源傳輸。但這存在幾個問題，因為是空氣波導，尺寸非常大，而且無法和其它電路集成，所以比較適合高功率、大體積的應用場景；另一個是微帶線技術，它可以大規模生產，但它本身作為傳輸介質的損耗很大，而且很難構成大規模天線陣列。

基於這兩個技術就可以產生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業界提出來，他們在1998年發表了第一篇關於介質集成的波導結構論文，提到了在很薄的介質襯底上實現波導，用小柱子擋住電磁波，避免沿著兩邊擴。這不難理解，當兩個小柱子的間距小魚四分之一波長的時候，能量就不會洩露出去，這就可以形成高效率、高增益、低輪廓、低成本、易集成、低損耗的天線。

上圖右下方是利用這一技術在LTCC上做出來的60GHz的天線，增益達到了25dB，尺寸8×8單元。這一方案是適合於毫米波在基站上的應用，在移動終端上有另外一種方案。第二個解決方案是把天線設計在封裝（package integrated antenna，即PIA）。

因為天線在晶片上最大的問題就是損耗太大，而且晶片本身的尺寸很小，把天線設計進去會增加成本，所以在工程上幾乎無法得到大規模應用。如果用封裝（尺寸比晶片大）作為載體來設計天線，不僅能設計出單個天線，還能設計天線陣列，這就避免了矽上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。

另外有一點需要注意的問題是，能否用PCB板做天線？答案是肯定的。關鍵的瓶頸並不是材料自身，而是材料帶來的設計問題和加工上的問題。不過PCB只適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以後推薦用LTCC，但到200GHz後，LTCC也存在瓶頸。

未來天線必須要和系統一起設計而不是單獨設計，甚至可以說天線將會成為5G的一個瓶頸，如果不突破這一瓶頸，系統上的信號處理都無法實現，所以天線已經成為5G移動通信系統的關鍵技術。天線不只是一個輻射器，它有濾波特性、放大作用、抑制幹擾信號，它不需要能量來實現增益，因此天線不僅僅是一個器件。
     （責任編輯：fqj）

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