用于5.5G超高速低时延通信的毫米波双极化集成相控阵天线

Huiqi LIU, Dixian ZHAO, Yongran YI, Xiaohu YOU, A 24.25-27.5 GHz 128-Element Dual-Polarized 5G Integrated Phased Array with 5.6%-EVM 400-MHz 64-QAM and 50-dBm EIRP. Sci China Inf Sci, doi:10.1007/s11432-022-3584-6

研究意义

随着移动通信技术的快速发展，新型移动业务的数据量呈指数级增长趋势，对数据的吞吐量提出了爆发式需求。5G毫米波频段提供了大量的频谱资源，为超高速、低时延通信业务提供可能。与传统的基于GaAs或GaN的实现方式相比，基于硅基CMOS技术的毫米波相控阵能够以较低的成本实现毫米波 5G基站的大规模网络覆盖。毫米波5G N258业务频段为24.25-27.5 GHz。由于毫米波阵列尺寸与波束赋形芯片数量之间的制约，在满足相控阵天线性能的同时保证低热密度芯片分布是一个挑战。采用双极化天线可以提高通信数据速率，然而，集成双极化天线在物理尺寸较小的情况下难以实现。为了补偿毫米波频段增加的路径损耗，需要保证相控阵天线的线性输出功率。此外，双极化天线的交叉极化性能和大角度扫描下降也具有挑战性。

本文工作

本文提出了一种用于毫米波5G通信的双极化相控阵天线，其工作频率为24.25-27.5 GHz。天线采用了射频多层PCB工艺技术，一体化实现了电源、逻辑控制、射频馈电等电路与堆叠贴片天线的高密度集成。基于硅基65nm CMOS工艺的四通道双极化相控阵芯片实现了收发增益放大和幅度、相位控制。芯片的每路通道采用T型结馈电至两个天线单元，降低一半芯片数量的同时实现了射频功耗的低热密度分布，提升了128阵元双极化天线的鲁棒性。测试结果显示，集成相控阵天线实现了有效各向同性辐射功率（EIRP）高于49.7 dBm，满足3GPP标准的400-MHz 64-QAM调制（EVM < 5.6%) 。

实验结果

本文对相关封装芯片和天线阵列做了测试验证。CMOS波束赋形芯片在探针平台进行了收发增益、输出功率及噪声测试。相控阵天线在暗室内进行了双极化方向图测试，以及100M/200M/400M不同带宽（5G NR 64QAM）的EIRP测试和不同输出功率下的的EVM测试。详细测试结果参见论文内容。

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