高性能的5G毫米波天线（阵列）实现与性能评估*

吕思涵，何宇奇，赵鲁豫,**，张璐，凡泽兴

（1.西安电子科技大学，陕西 西安 710000；2.西安朗普达通信科技有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

在2019 年世界无线电通信大会（WRC-19）之后，面向5G 应用的毫米波（mm-wave）技术受到越来越多的关注，其中一系列全球统一的国际移动通信（IMT）毫米波频段划分已经完成。与传统的Sub-6 GHz 天线相比，这些新发布的频段为毫米波天线带来了额外的设计规范和挑战。随着毫米波技术的日趋商业化，毫米波测量技术也逐渐开始。本文首先介绍了毫米波技术的需求和所面临的挑战，详细地阐述了毫米波技术的利弊，并结合毫米波技术的前沿发展，本文设计出了一款双频双极化毫米波模组天线，该天线阵可以同时覆盖N258-N261 的5G NR 频段，且具有较好的扫描能力，与现有的典型天线阵列设计相比，所设计天线阵列的隔离度和扫描能力都得到了提升。文章还给出了毫米波测量技术考量和不同的测试系统，并在此基础上设计了一款毫米波测量系统，然后结合所设计的测量系统给出了本文所设计的毫米波模组的评估效果。

1 毫米波天线的需求及挑战

1.1 5G毫米波通信频段的发展规划

5G 中的一个关键技术是高频段（毫米波）传输。传统移动通信系统包括3G、4G 移动通信系统，其工作频率主要集中在3 GHz 以下，频谱资源已经异常拥挤。而工作在高频段的通信系统，其可用的频谱资源非常丰富，更有可能占用更宽的连续频带进行通信，从而满足5G 对信道容量和传输速率等方面的需求[1,4]。因此，世界无线电通信大会WRC-15，除了确定了470—694/698 MHz、1 427—1 518 MHz、3 300—3 700 MHz 以及4 800—4 990 MHz 作为5G 部署的重要频率之外，又提出了对24.25—86 GHz 内的若干频段进行研究，以便确定未来5G 发展所需要的频段[1,5]。在2019年世界无线电通信大会（WRC-19）上，各国代表就5G 毫米波频谱使用达成共识：全球范围内将24.25—27.5 GHz、37—43.5 GHz、66—71 GHz 共14.75 GHz 带宽的频谱资源，标识用于5G 及国际移动通信系统（IMT）未来发展；在45.5—47 GHz 频段，部分国家在脚注中标识用于IMT；在47.2—48.2 GHz 频段，2 区（美洲区）国家和部分地区在脚注中标识用于IMT。大量连续带宽的毫米波频谱资源将为5G 技术在相应场景下的大规模应用提供有效支撑，为5G 相关产业链的发展成熟奠定基础，从而加速全球5G 系统部署和商用步伐。

目前大量部署的还是Sub-6 GHz 频段，只有北美、意大利、俄罗斯和日本部署了毫米波的频谱。但是，5G毫米波的商业部署也在全球各地逐渐展开。美国的几大主流通信运营商包括AT&T、T-Mobile 和Verizon 都已经提供了5G 毫米波的商用服务，包括日本NTT DoCoMo、日本KDDI、韩国SKT 在内的多个运营商也已经开始了5G 毫米波系统商业部署。GSA 表示，2020 年6 月，仅在24.25—29.5 GHz 频谱范围内，全球已有42 个国家/地区的123 个运营商以试验、许可证、部署或运营网络的形式进行了5G 毫米波的建设。

中国早在2017 年7 月就在24.75—27.5 GHz 和37—42.5 GHz 的5G 毫米波频率范围内使用5G 技术开展研发试验。中国工业和信息化部在2020 年3 月《关于推动5G 加快发展的通知》中明确指出，将结合国家频率规划进度安排，组织开展毫米波设备和性能测试，为5G 毫米波技术商用做好储备，适时发布部分5G 毫米波频段频率使用规划。2019 年以来，中国IMT-2020（5G）推进组统筹规划，分三个阶段推进5G 毫米波的试验工作：2019年重点验证5G 毫米波关键技术和系统特性；2020 年重点验证5G 毫米波基站和终端的功能、性能和互操作，2020 到2021 年开展典型场景应用验证。

从图1 中可以看到，5G 毫米波可以提供四倍于5G Sub-6 GHz 中频的速率，而5G Sub-6 GHz 中频，又可以提供五倍于4G LTE 和5G 低频的速率，也就是说，5G毫米波的平均速率可以达到4G LTE 的20 倍以上。当然，从图中还可以看到，相较于速率的对比，5G 毫米波的覆盖面积是最小的，而5G 的Sub-6 GHz 中频次之，覆盖能力最强的，还是4G LTE 和5G 的低频段，这也就是为什么进入5G 时代，700 MHz 的频段依然是各个运营商垂涎的“黄金频段”。

图1 4G、5G中频与5G毫米波的覆盖和速率比较

1.2 毫米波的传输特性

毫米波天线技术应用于5G 移动通信，是一柄双刃剑。因为毫米波超短的波长，可以使毫米波天然地具有集成射频器件、实现紧凑封装的优势。可以把非常多的天线集中在非常小的区域内，且方便使用高指向性的波束赋形技术。

然而毫米波超短的波长，使得其大气衰减相较于低频更为严重，必须更为谨慎地选择通信频段。从图2 可以看到，在24—30 GHz 的频段范围内，有一个明显的传输窗口，这一频段也就自然而然成为5G 毫米波的首选频段。即使选用24—30GHz 的频段，也可以明显地看到，该频段的衰减也明显大于6 GHz 以下频段。

图2 微波毫米波波段的大气衰减

利用Friis 传输公式，理解毫米波的传输特性就比较容易，如图3，假设收发天线面对面放置，发射天线和接收天线增益分别为Gt和Gr，发射和接收天线的等效口径为。那么，可以分别计算式发射和接收天线的增益为：

图3 收发天线传输特性计算模型

将式(1) 和式(2) 代入式(3) 中，可以得到：

式(4)实际上可以说明，如果保持收发天线口径不变，接收天线的功率反而和频率平方成正比。但是为了和低频的天线保持一样的口径，在毫米波段，必须采用组阵的方式，用更多的单元组成的高增益阵列，来对抗路径损耗。因此，高增益、有自适应波束形成和波束控制能力的天线阵列，自然成为5G 在毫米波段应用的关键技术[6]。

2 应用在实际手机终端中的毫米波天线需求及实例

2.1 5G手机终端毫米波天线的要求

毫米波技术由于其更宽的绝对带宽，被认为是进一步提高可用数据速率的关键技术。然而，与Sub-6 GHz的频带相比，5G 毫米波频段在传播损耗、覆盖范围和通信阻塞等方面都面临着挑战。因此，在基站和移动终端中都需要毫米波天线阵列的高增益和波束控制能力。

在如图4 所示的旗舰5G 移动终端中，包含了20 多个天线，包括4 个LTE 高频段、4 个5G N1/N3/N38/N41 天线和4 个5G N77/N79 天线以支持4×4 MIMO 操作、2 个或更多支持双频和双MIMO 模式的Wi-Fi 天线、2 个覆盖中低频段的LTE 天线，以及至少1 个GPS 天线。显然，由于存在Sub-6 GHz 天线、金属边框和全面屏，毫米波天线阵列的空间非常有限。考虑到用户手部遮挡和毫米波的覆盖范围，至少需要2 个毫米波阵列。通常在图4 中，安装毫米波阵列的最佳区域标记为区域5/6。因此，十分需要具有高增益、宽扫描角度和紧凑尺寸的毫米波天线阵列。而与传统的Sub-6 GHz 天线相比，这些新增的多个毫米波频带为天线带来了额外的设计规范和挑战，尤其是在移动终端的场景中。为了克服毫米波段相对较高的路径损耗并提高波束覆盖能力，宽角扫描相控阵是移动终端应用毫米波天线设计的首选解决方案。同时，毫米波天线阵列应该覆盖尽可能多的毫米波频段。因此，毫米波天线阵的双频/多频设计成为必然。另一方面，为了实现多输入多输出（MIMO）操作并缓解多径衰落效应，还需要双极化的天线阵列。因此，移动电话中的毫米波天线需要具有双极化功能的多频带覆盖性能，同时必须在有限的尺寸内构造以形成紧凑的天线模块。这样的设计规范，不仅对学术界，而且对工业界，都是非常具有挑战的。

图4 5G时代具有金属边框和全面屏的移动终端的各种频带天线模块的位置

2.2 商用毫米波手机及天线模组分析

2018 年底，美国高通公司推出旗下的第一代QTM052 毫米波天线模块[8]，如图5 所示，它具有波束成形、波束控制以及波束跟踪技术，支持26.5—29.5 GHz（n257）、27.5—28.35 GHz（n261）和37—40 GHz（n260）毫米波频段。

图5 高通公司的第一代及第二代毫米波模块（与1美分硬币比较）

三星公司的S10 手机成为首款采用5G 毫米波芯片组通信的手机，它使用了三个高通公司的毫米波天线模块。如图6 所示，高通公司毫米波模块QTM052 采用了堆叠贴片和寄生贴片的设计用于提高工作带宽，同时配备了偶极子天线和贴片天线用于在两个方向实现信号覆盖，在两个天线单元之间还设计了周期性排列的贴片用于提高整个天线阵列的隔离度。整个天线模组的尺寸为4.81×19.03×2 mm3。此外，如图7 所示，美国苹果公司在2020 年底发布的iPhone12 中也采用了多个毫米波模块，可以看出部分毫米波模块的天线采用了高低频分离的设计，但是由于手机内部的空间非常有限，这样无疑使得占用的尺寸进一步增大。

图6 高通公司毫米波模块QTM052结构分析

图7 苹果公司iPhone12中的毫米波模块

目前可以看到，无论是高通公司还是苹果公司，采用的毫米波天线模组、毫米波天线本体都是采用基本的PCB工艺，再和毫米波的前端进行二次封装，最终毫米波天线模组输出频段在Sub-6 GHz 的IF（中频）信号，输出的接口通常是IPEX 接口。目前从公开渠道获取的信息，高通已经发布了更新一代的毫米波天线模组：QTM545 及QTM547，其中QTM545 专门针对手机终端的应用，而547 则主要针对CPE 等应用。相比于QTM525 的模组，545 在长度上增加了0.8 mm，宽度上减小了0.7 mm，而高度略有增加，最终的封装尺寸为23.8 ×3.5 ×2.15 mm，直接支持n257/n258/n260/n261 四个频段。最终的天线单元个数从4 个增加到了5 个，而最终的EIRP 大于32 dBm。

图8 为毫米波天线模组的构成框图。

图8 毫米波天线模组的构成框图

2.3 一种紧凑宽扫描的毫米波双频双极化天线设计

在文献[10]中，提出了一种本课题组设计的紧凑的双频双极化毫米波贴片天线阵，它具有良好的隔离度和波束扫描性能。采用电容馈电技术和寄生贴片的叠层结构设计，使得该天线阵列能够在低频和高频获得较宽的工作带宽。天线单元的结构如图9 所示，其中顶部的较小的贴片（图9（b））用于产生较高的谐振频率，而底部的尺寸较大的贴片（图9（c））用于产生较低的谐振频率。天线单元采用双探头馈电方式实现±用双探线极化。此外，为了增加工作带宽，馈电探针通过2 个圆片将能量耦合到底部贴片，其圆片是通过在底部贴片上切割2 个环形槽来实现的。与直接将馈电探针连接到贴片相比，这种间接馈电会带来额外的电容，以抵消探针馈电的感应性。此外，底部方形贴片的4 个角被切割，用以进一步微调其谐振频率并减少贴片的占地面积。顶部贴片在39 GHz 频段工作，其阻抗匹配和更高的增益是通过在贴片的中间开一个方孔来实现的。此外，在顶部贴片周围引入4 个弯曲的寄生条，以在41 GHz 频带附近产生额外的谐振模式，从而拓宽天线单元在高频处中的工作带宽。

图9 文献[10]中提出的毫米波天线单元的几何结构

如图10 所示，为了减少阵列的占地面积，并提高2个波段的波束扫描性能，在26 GHz 下，将元件间距缩小到小于0.36 波长。由于阵元间距较小，为了提高阵元之间的隔离度，采用了2 种有效的解耦方法，从而将阵列的隔离度提高了6-15 dB。

图10 文献[10]中具有解耦结构的4单元贴片天线阵

如图11 和图12 所示实测和仿真结果表明，该天线阵可以同时覆盖n258-n261 的5G NR 频段。反射系数和隔离度的实验数据与模拟结果一致，表明了该天线阵列在5G 毫米波终端通信中具有巨大潜力。

图11 文献[10]中天线阵列的实测S参数

图12 文献[10]中天线阵列的仿真S参数

3 毫米波关键性能测试与评估

随着5G 通信技术、无人驾驶技术、星联网技术的逐渐演进，对于毫米波频段的无线通信、雷达、遥感遥测等方面的应用需求越来越迫切，对该频段无线性能的评估就显得尤为重要。无论是5G 毫米波频段的终端、CPE等设备采用的天线前端，还是车载雷达以及卫星系统，均需要精准高效的OTA 测试系统。

对于研发人员来说，便携高效的OTA 测试系统是他们梦寐以求的，能够在研发阶段快速评估天线及无线性能；另外，针对产品产线，又需要搬运方便且测试精准高效的快速评估系统。所以，毫米波的测试系统，往往不同于传统的微波暗室，需要兼顾精准度、移动性、速度和便捷性。

3.1 测试方案考量

毫米波测试方案，首先考虑的就是场区（图13）。理想的测量场地应该满足均匀平面波条件，即等相位面是一个平面，并且在电磁波传播的方向上没有幅度衰减。天线的方向图、增益、极化等电参数测量是在满足远区距离条件的外场进行的。根据天线远场测试条件可知，当目标尺寸D很大而波长λ很短时，测试距离R必须很大，有些天线的最小测试距离可能需要几公里乃至几十公里，实际中无法实现。另外，外场测试还存在受气候影响大、保密性差、背景电平高等缺点；而室内远场，又碍于毫米波衰减、空损和精准度的要求，显得尤为不便。

图13 天线辐射场区划分

3.2 近场测试系统

在Sub-6 GHz 最典型的近场测试系统就是球面近场多探头测试系统，如图14 所示的法国MVG 公司产品，是行业内最早推出的毫米波多探头测试系统。

图14 法国MVG推出的18-50 GHz球面多探头近场测量系统[11]

该系统在圆环上布置多个测试探头，通过电子开关的切换，实现了不同位置的辐射近场采样，再利用近远场变换算法，实现远场外推。由于电子开关的切换比较快速，所以该系统测试效率极高，为低频段中业内所青睐，成为了最主流的移动通信OTA 设备。但是一旦上升到毫米波段，根据空间采样定理的要求，如果继续按照低频多探头系统的原则，那么就要在比较近的间距排布非常多的探头，一方面制造成本上升，另一方面探头之间的互耦会对最终的测试结果产生较大的影响。目前解决这种问题的办法是，探头之间保持一定距离，然后采用过采样的方式，也就是整个装有多探头的圆环，相对于待测物做相对运动，通过多次改变多探头的位置，等效实现了较密的采样。表1 给出了不同频段最大的待测物尺寸与过采样倍数的关系，可以看到，在50 GHz 频段，如果要实现大于300 mm 的待测物测量，需要至少15 倍的过采样。

表1 不同频段最大的待测物尺寸与过采样倍数的关系

除了采用多探头，实际上，近场测试也可以用单探头配合能够进行圆周运动的机器进行。通过空间上移动探头，实现了满足采样要求的多个空间位置的采样，如图15 所示，为朗普达科技的单探头近场测试系统的结构。

图15 朗普达采用摇臂实现圆周运动的单探头测试系统LMDMTS-112及其内部结构[12]

3.3 毫米波阵列波束覆盖能力的评估

在前述的单探头近场测试系统中，想要评估完整的毫米波天线阵列的波束扫描能力，还需要额外的设备帮助，以便于对天线实现指定的配相。棱研科技的波束成型控制器就是比较好的选择。

BBox 16 个端口单独可控，可独立调整每一通道的相位以控制波束扫描，还可调整各通道的幅度以抵消线损，如图16 所示。将图10 中的四单元双频双极化毫米波天线阵列，通过SPMP 电缆连接到BBox 的端口上，再一起放置到LMD-MTS-112 系统的DUT 转台上，如图17 所示。通过软件配置不同的相位组合，再利用图18 的测试软件控制测试及提取测试数据，最终可以得到图19所示的测试波束图。从图19 的（a）与（b）的对比中，可以看到实测与仿真的吻合度非常好。为了更好地将阵列的扫描能力可视化，分别在26 GHz 和38 GHz 仿真了将图10 中所示阵列放置在手机壳体短边的3D 方向图，并将典型的扫描波位方向图分别展示在图20 和图21 中。

图16 棱研科技的BBoxTM One波束成型控制器[13]

图17 在单探头近场测试系统中采用BBox实现一个四单元双极化阵列的扫描能力评估

图18 LMD-MTS-112系统的测试软件及近场采样数值

图19 图10中所示阵列的单极化在26.6 GHz时的扫描波束图

图20 图10所示阵列的正45°极化在26 GHz的3D扫描方向图（扫描φ角，固定θ=90°）

图21 图10所示阵列的正45°极化在38 GHz的3D扫描方向图（扫描φ角，固定θ=90°）

4 结束语

本文阐述了5G 毫米波技术的发展状况和关键技术参数，并给出了5G 毫米波技术背景下的毫米波商用实例，然后在此基础上设计了一款性能更加优良的毫米波阵列天线，结合所设计的毫米波测量系统，给出所设计天线的具体评估效果。接下来，将进一步研究毫米波的其它关键技术，包括毫米波频段下的一维、二维宽角扫描、单频单极化和双频双极化宽角扫描。