Gapwaves Platform Integrates 5G mmWave Arrays

Carlo Bencivenni、Thomas Emanuelsson和Magnus Gustafsson

Gapwaves AB，瑞典哥德堡

毫米波系统将在高速5G网络中发挥关键作用。但是，不利的传输特性和技术限制对毫米波系统的可行性和应用提出了挑战。为应对这些挑战，Gapwaves公司正在开发新的波导技术，其在效率、布线、子阵分区、滤波、隔离和热处理等方面具有卓越性能，优于传统印刷电路板（PCB）解决方案。随着性能、应用范围、组件数量和功耗等方面的改进，Gapwaves公司的波导技术可以显著降低硬件部署成本和运营成本。为进一步实现高性能和经济高效的毫米波系统，本文讨论了Gapwaves演示样机的设计原理，包括无源和有源测量结果，以及高功率GaN半导体器件的集成技术。

5G作为下一代移动网络，具有宏伟的目标，通过采用多种技术以满足不同的应用场景¹。其中，与当前4G网络相比，对于消费者而言最直观的感受莫过于网络容量增加100倍。随着额外频谱的扩充和编码技术的进步，传统6 GHz以下的频率将继续成为泛在连接的支柱。然而，数据速率的显著增加在很大程度上取决于大量的频谱：毫米波频段可用的带宽为GHz量级，每赫兹成本较低。监管机构已经确定了几个频段，主要是在24到60 GHz之间。

频率上升到毫米波会带来一些技术难题。由于较大的传输损耗以及严重的建筑物、树木、人体的遮挡和透射效应，基站的覆盖范围会远小于现有系统。尺寸较小的毫米波有源器件的低输出功率和低效率，会带来器件和功率密度问题。这导致有限的发射功率、高功耗和昂贵的器件。通常，随着频率升高所有器件损耗都会增大，对于高频平面技术而言更加严重。此外，卫星和回传服务在毫米波区域共存，需要射频滤波器以防止干扰，这会增加系统损耗。

5G毫米波系统的部署将首先受家庭固定无线接入（FWA）驱动，此后将是移动接入。前者的成功取决于基站的覆盖范围，为了加强郊区的商业部署，需要更高的站间距离（ISD）和等效全向辐射功率（EIRP）²。更高的EIRP增加了混合和数字波束成形系统的容量，使得额外的功率可以在多个波束和用户之间实现共享。

毫米波应用

业界主要是规划小型蜂窝网和高容量覆盖以应对上述挑战。然而，虽然更密集的部署不可避免，但经济可行性和广泛应用性取决于技术解决方案和相关成本。每个区域的基站数量决定了设备、部署和运营成本。

最近，主要电信设备制造商发布了首批演示样机³。目前大多数系统都是基于PCB集成的天线，通常在电路板的正面有一个贴片阵列，在背面有一些有源器件，通过为每个馈电天线配置垂直布线PCB来降低损耗，但这种方案的代价是低增益。因此，实现高EIRP和下行链路覆盖是具有挑战性的。为了部分补偿增益，要使用大量有源链路，增加了系统成本和功耗。然而，与提升增益相反，基站功率的提升对上行链路没有帮助，而上行链路是最难的。在多层PCB非常有限的空间内进行高密度集成和采用高功耗元器件会增加系统复杂度，导致散热困难。在毫米波频段，另一个重要挑战是集成滤波器及其对性能的影响。所有这些限制最终导致性能较差、覆盖范围缩小、功耗较高且成本增加。一些供应商的解决方案是增加系统尺寸，采用大量昂贵的组件。

与众不同的是，Gapwaves专注于实现天线增益的最大化，最大限度地减少馈电和滤波损耗，增加系统覆盖范围和性能，并提高器件输出功率。最重要的是，低损耗子阵列用于提高增益，但需要折衷考虑降低垂直覆盖范围、抑制波束变窄和栅瓣的出现。在实际场景中，用户的俯仰角非常有限，特别是对于具有低建筑物的郊区FWA。如图1所示，8个单元的垂直子阵列俯仰角波束宽度约为12度，只要俯仰面方向图上没有较深的凹陷，即使是没有下倾或仰角扫描，其在500 m ISD（333 m蜂窝半径）的所有距离都能提供足够的信号电平。

图1：对于半径为333m的蜂窝，没有向下倾斜的8单元垂直子阵列的相对SNR边缘。

重新审视波导

南宫在线官方网 应用中的主要传输技术是金属波导和PCB板。虽然前者具有无与伦比的性能，但其体积、成本和复杂性限制了应用于卫星和军事等高端市场。PCB提供平面、坚固、经济的解决方案，性能令人满意，因此长期以来一直是商业解决方案的标准。

但是，这两种技术在毫米波频率下都面临着严峻的挑战。PCB的损耗很大：在30 GHz时，与波导每米零点几dB的衰减相比，具有高频基板的传统PCB微带线面临每米十几dB的衰减。PCB设计人员必须使用优质基板并尽量减少走线长度。然而，随着频率的增加，损耗变得不可避免。随着频率的增加，波导会受到加工公差的影响越来越大。在两个矩形波导部件之间微米量级的连接间隙会发生灾难性泄漏（参见图2a）。分块式优化设计和高质量连接工艺可提高性能，但不适合大规模制造。

图2：场分布对比：（a）传统波导非理想接触带来的泄漏和寄生模式；（b）Gapwaves波导场分布。

由Gapwaves提供的解决方案基于Per-Simon Kildal教授及其研究小组在查尔姆斯理工大学开发的一种高稳健性且低损耗的技术⁴。通过采用引脚床结构实现人工磁导体表面，可以在不需要层之间的电接触的情况下实现可靠的波导类传输线和器件。如图2b所示，等效的Gapwaves波导在间隙存在的情况下表现完美，电磁场被束缚在数行引脚内，有相当低的损耗。不需要连接工艺。这一关键因素使波导能够为消费者市场实现高性能和高效益的制造。Gapwaves AB成立于2011年，专注于Gapwaves波导解决方案的开发和商业化。

Gapwaves波导5G天线

尽管本文重点是天线和RF性能，为了展示Gapwaves波导的优势，我们开发了一个包括关键无源和有源器件的演示样机（见图3）。样机考虑了一般需求，因此，该设计不适用于特定应用。

图3：28GHz天线阵样机

系统中心频率为28 GHz，与美国的5G试验频段一致，目标带宽大于13%，以适应当前的5G频段。每个子阵列馈源中集成了1.2 GHz滤波器，以支持模拟、数字和混合波束成形以及典型的瞬时带宽。方位角提供全扫描，俯仰角扫描范围较小。系统上采用垂直方向上4单元的子阵，单元间距为λ/2，约5.5 mm，分别保证方位角和俯仰角的±45度和±10度扫描。演示天线是一个8×8阵列，虽然尺寸较小，但我们足以在不增加系统复杂度下，表征系统并扩展到更大的尺寸。由于子阵列的存在，系统共有16个馈电端口。系统使用SiGe前端芯片，根据典型的SiGe RFIC性能，可提供44 dBm的EIRP。

如图4所示，演示样机主要是由多层金属组件组成的。带有源器件的PCB板被隔离在前侧的屏蔽层和后侧的冷却层之间。屏蔽层可以提高隔离并抑制腔体模式的产生，冷却层传导电磁波到天线，两层都是热处理的关键。RF信号从PCB板经滤波器、具有子阵馈电结构和专用滤波器的低损耗功分网络，最后到达最前侧的缝隙辐射层。

图4：Gapwaves的波导天线阵分解视图

转换

Gapwaves波导技术的一个主要优势是其低损耗互连特性，通常比同等PCB解决方案好10倍以上。一旦产生RF信号，我们非常希望从承载数字和低频信号的PCB过渡到波导，执行高频功能，例如波导中的滤波和传导。PCB和波导之间的过渡应保证低损耗、可靠且无接触的接口。

虽然我们已经设计、加工了各种过渡结构，但本文采用的是贯穿基板的配置。这允许将背面的部件定位成与散热器直接接触。由于信号从微带线垂直穿过基板，因此根据PCB叠层设计了不同的转换版本。采用双层10 mil Rogers RO4350电路板的单次转换在20%带宽内测得的插入损耗为0.2 dB，回波损耗为20 dB。图5显示了具有10 cm波导线截面的四层板的背靠背测量结果。公差分析和重复测量表明，在装配误差影响下设计具有较高的稳健性。

图5：4层FR4板背靠背传输测量结果

滤波

我们需要射频滤波器来保护敏感业务，例如被动地球探测卫星服务（EESS）⁵。EESS频段扩展到24 GHz，5G n258频段的低端从24.25 GHz开始，频率裕度仅为1%。满足发射限制需要陡峭的滤波器抑制或昂贵的保护带。虽然可以应用多种滤波器技术，但它们会引入相当大的损耗、占用稀缺的PCB面积并导致复杂的布线。

Gapwaves波导技术可将波导滤波器集成在天线中，提供卓越的性能并消除复杂性。虽然波导滤波器是众所周知的并且用于高性能应用，但滤波器的数量和密度对于间隙波导设计提出了挑战。受天线元件间距限制，实现约为0.5λ×2λ的滤波器区域是极具挑战性的，因为该区域包括子阵列之间的分隔壁或引脚以及层之间的过渡。由于阵列将包含数十到数百个滤波器，这些滤波器必须在没有调谐的情况下组装起来，因此该设计必须在加工和组装过程中非常稳健。虽然间隙波导的引脚结构有助于提高稳健性，但滤波器谐振器的设计至关重要。满足这些要求的设计在x、y和z中小于约λ/2。

对于演示天线阵列，滤波器设计是具有1.2 GHz带宽（20 dB回波损耗）的三阶切比雪夫，中心频率为28 GHz。测量到的两个滤波器的性能如图6所示。与具有几dB损耗的微带滤波器相比，插入损耗仅为0.4 dB。

图6：Gapwaves的28GHz波导带通滤波器测得的性能。（a）宽带性能（b）通带插入损耗。

天线

演示天线是一个8×8缝隙阵列，由4行8列的4缝隙子阵单元组成（图7）。由于子阵列是周期性的，天线可以在水平和垂直方向上进行扩展。λ/2间距和垂直分组使得能够在没有栅瓣的情况下获得超过45度的方位角扫描和高达10度的仰角扫描。演示天线是单极化结构。垂直和水平双极化版本的天线已经开发和测试，本文仅介绍单极化天线的结果。

图7：单极化Gapwaves 天线是一个8×8缝隙阵列，由4缝隙子阵按2行8列排布

子阵列是端馈谐振的串联型波导缝隙天线。天线覆盖的频段约为26.5至31 GHz，相对带宽大于15%。测量和仿真的阵列方向图显示出非常好的一致性（图8），俯仰角方向图中没有凹陷。天线的总增益为24 dBi，每个通道每个子阵列为12 dBi。嵌入式匹配优于20 dB，隔离优于16 dB，所有扫描角度下有源匹配优于10 dB。

图8：天线阵方向图：（a）方位角仿真结果（b）方位角测量结果；（c）俯仰角仿真结果；（d）俯仰角测量结果

热处理

热处理在毫米波频率下具有挑战性，其中许多密集组件在有限的区域内产生大量的热量。高热处理对于确保半导体和其他元件在规定的工作温度范围内工作至关重要，从而确保系统的稳健性和最佳性能。例如，用于毫米波双极化阵列的SiGe IC解决方案可消耗几W/cm²。由于对被动冷却的需求，热情况变得复杂，这对于耗散超过几百瓦的系统来说是具有挑战性的。为了实现均匀的散热，PCB设计依赖于使用散热通孔。

Gapwaves波导系统具有良好的散热能力。全金属天线配件兼作集成散热器，可从组件的顶部和底部两侧吸取热量。计算表明，天线配件可以从典型的5mm × 5mm组件区域的顶部吸取高达2W/℃的热量。子阵列架构还具有以下优点：对于固定的EIRP，它可以降低所需的功率并降低组件密度。

演示样机的测量结果证实了使用SiGe IC的顶侧冷却的有效性。当最大结温通常在150°C左右时，片上传感器在最大输出功率下测得的稳态温度仅为60°C。

阵列性能

演示平台的有源部分包括一个使用市售组件的模拟波束成形板（图9）。16个天线端口由4个SiGe IC供电，每个IC具有4个Tx/Rx通道，并连接到单个输入/输出RF连接器。板上的第5个IC用作可选的缓冲器和前置放大器。SiGe Tx/Rx链为每个通道提供17 dBm饱和输出功率，每通道设置为8 dBm，以确保良好的线性度。每个端口的幅度和相位可以通过数字方式独立控制，从而可以完全控制波束。平台总功耗约为13 W。IC的工作频率为26.5至29.5 GHz，小于天线的带宽。

图9：模拟波束成形控制板

有源测量验证了Tx和Rx的系统性能。此处仅显示了Tx结果，测量的天线波束如图10所示。波束表现良好：扫描范围超出方位角±45度，俯仰角±10度的设计要求，随频率变化的性能稳定（图11）。测量的EIRP在饱和时约为52 dBm，误差矢量幅度（EVM）约为3%时回退至44 dBm（图12）。

图10：模拟波束扫描结果：（a）方位角（b）俯仰角。

图11：未校准的方位角方向图随频率从26.5GHz到29.5GHz变化的曲线

图12：天线EIRP测量结果

提升EIRP

为了提升毫米波阵列的EIRP，合乎逻辑的步骤是在RF前端采用基于SiC的GaN。GaN技术最初开发用于国防应用。目前技术成熟，成本在商业应用中变得具有竞争力²。较高的击穿电压、电子迁移率、功率密度和出色的热性能使得化合物半导体对毫米波前端具有吸引力。对于Tx，GaN可以实现2 W的饱和功率，功率附加效率约为10%。GaN的平均输出功率为24 dBm，支持3%的EVM。GaN还可以比SiGe实现大约1.5 dB的噪声系数，从而显著提高了上行链路余量。

然而，GaN的高功率密度在天线阵列中需要相当大的冷却能力，即使GaN的最大额定结温比SiGe高约75度。Gapwaves的波导可以提供氮化镓功率放大器所需的热处理。尽管Gapwaves不在意半导体技术的选择，但将低损耗、高增益波导阵列与GaN的高功率和高效率相结合是非常有吸引力的。这种组合可以减少给定EIRP的组件数量和功耗，从而降低阵列成本。Gapwaves正在为28 GHz频段开发使用GaN前端的间隙波导天线（图13）。子阵列设计在单行中包含8个缝隙，使用带有GaN前端模块的模拟波束成形。八个子阵列可以组合成一个64缝隙天线，在9 dB的回退功率下获得24 dBi增益和56 dBm EIRP。阵列将在方位角上扫描±45度，没有设计俯仰扫描。预计总功耗约为40W。

图13：集成GaN前端模块的模拟波束控制板

总结

Gapwaves的演示样机展示了用于毫米波天线阵列的Gapwaves波导的性能。波导具有低损耗和散热优势，可以与天线、滤波器、无线电和基带组件集成的能力以及经济高效、可生产的平台使该技术成为5G和其他毫米波系统的有力竞争者。虽然该样机与RF半导体技术无关，但其热性能特别有利于高功率密度的GaN芯片。

参考文献

1.    International Telecommunications Union, ITU-R Radiocommunications Sector of ITU, “IMT Vision - Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond,” August 2015.

2.    B. Peterson and D. Schnaufer, “5G Fixed Wireless Access Array and RF Front-End Trade-Offs,” Microwave Journal, Vol. 61, No. 2, February 2018, pp. 22–43.

3.    Ericsson, “AIR 5121 Pre-NR Base Radio in FCC ID TA8AKRD901059-1,” fccid.io/TA8AKRD901059-1.

4.    P. S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira and E. Rajo-Iglesias, ”Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009.

5.    3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, “Study on New Radio Access Technology: RF and Co-Existence Aspects,” TR 38.803 V14.2.0, https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3069.