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TechnicalFeature 技术特写

0 阵列性能 在方位角上扫描±45度，没有设计俯仰
演示平台的有源部分
扫描。预计总功耗约为40W。
–5
Relative Magnitude (dB) –10 包括一个使用市售组件的 总结 Gapwaves的演示样机展示了用于毫
模拟波束成形板（图9）。
–15
16个天线端口由4个SiGe
–20
米波天线阵列的Gapwaves波导的性能。
IC供电，每个IC具有4个
–25
–30
线、滤波器、无线电和基带组件集成的
个输入/输出RF连接器。板
–35 Tx/Rx通道，并连接到单 波导具有低损耗和散热优势，可以与天
–40 上的第5个IC用作可选的缓 能力以及经济高效、可生产的平台使该
–60 –40 –20 0 20 40 60
Angle (º) 冲器和前置放大器。SiGe 技术成为5G和其他毫米波系统的有力竞
Tx/Rx链为每个通道提供17 争者。虽然该样机与RF半导体技术无
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。 dBm饱和输出功率，每通 关，但其热性能特别有利于高功率密度
道设置为8dBm，以确保良 的GaN芯片。■
被动冷却的需求，热情况变得复杂，这对 好的线性度。每个端口的幅度和相位可
于耗散超过几百瓦的系统来说是具有挑 以通过数字方式独立控制，从而可以完 参考文献
1. International Telecommunications Union, ITU-R
战性的。为了实现均匀的散热，PCB设 全控制波束。平台总功耗约为13 W。IC Radiocommunications Sector of ITU, “IMT Vision
计依赖于使用散热通孔。 的工作频率为26.5至29.5 GHz，小于天 - Framework and Overall Objectives of the Future
Development of IMT for 2020 and Beyond,” August 2015.
Gapwaves波导系统具有良好的散 线的带宽。 2. B. Peterson and D. Schnaufer, “5G Fixed Wireless Access
热能力。全金属天线配件兼作集成散热 有源测量验证了Tx和Rx的系统性 Array and RF Front-End Trade-Offs,” Microwave Journal,
Vol. 61, No. 2, February 2018, pp. 22–43.
器，可从组件的顶部和底部两侧吸取热 能。此处仅显示了Tx结果，测量的天 3. Ericsson, “AIR 5121 Pre-NR Base Radio in FCC ID
TA8AKRD901059-1,” fccid.io/TA8AKRD901059-1.
量。计算表明，天线配件可以从典型的 线波束如图10所示。波束表现良好： 4. P. S. Kildal, E. Alfonso, A. Valero-Nogueira and E. Rajo-
5mm × 5mm组件区域的顶部吸取高达 扫描范围超出方位角±45度，俯仰角 Iglesias, ”Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps
2 W/℃的热量。子阵列架构还具有以下 ±10度的设计要求，随频率变化的性能 Between Parallel Metal Plates,” IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009.
优点：对于固定的EIRP，它可以降低所 稳定（图11）。测量的EIRP在饱和时 5. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network,
需的功率并降低组件密度。 约为52dBm，误差矢量幅度（EVM） “Study on New Radio Access Technology: RF and Co-
Existence Aspects,” TR 38.803 V14.2.0, https://portal.3gpp.
演示样机的测量结果证实了使用 约为3%时回退至44 dBm（图12）。 org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.
SiGe IC的顶侧冷却的有效性。当最大 aspx?specificationId=3069.
结温通常在150℃左右时，片上传感器 提升EIRP
在最大输出功率下测得的稳态温度仅为 为了提升毫米波阵列的EIRP，合
60℃。 乎逻辑的步骤是在RF前端采用基于SiC 免费下载白皮书
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 如何实现孔径调谐 ：
2
变得具有竞争力 。较高的击穿电压、 4G/5G 智能手机的最佳实践
电子迁移率、功率密度和出色的热性能
55 智能手机需
26.5 28.0 29.5 (GHz) 使得化合物半导体对毫米波前端具有吸 要更多天线来支
50
Output EIRP (dBm) 45 和功率，功率附加效率约为10%。GaN 要求（例如新的
引力。对于Tx，GaN可以实现2 W的饱
持不断增加的RF
的平均输出功率为24 dBm，支持3%的
40
5G频段、MIMO
EVM。GaN还可以比SiGe实现大约1.5dB
35
和载波聚合），
的噪声系数，从而显著提高了上行链路
30
余量。 但是由于智能手
25 然而，GaN的高功率密度在天线 机工业设计的变化，提供给这些天
–25 –20 –15 –10 –5 0 线的可用空间却很小。因此，天线
Input Power (dBm) 阵列中需要相当大的冷却能力，即使 变得越来越小，这可能会降低天线
GaN的最大额定结温比SiGe高约75度。 的效率和带宽。利用孔径调谐技术
Gapwaves的波导可以提供氮化镓功率放 可以解决这一问题，通过对天线进
图12：天线EIRP测量结果。 大器所需的热处理。尽管Gapwaves不在 行调谐，就能够在多个频段高效运
意半导体技术的选择，但将低损耗、高 行，并使Tx和Rx的性能提高3dB。
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
28GHz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 http://t.cn/EoBbw16
模拟波束成形。八个子阵列可以组合成
一个64缝隙天线，在9dB的回退功率下
图13：集成GaN前端模块的模拟波束控制板。 获得24dBi增益和56dBm EIRP。阵列将

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