5G时代,不论基站还是终端设备(手机、路由器、VR眼镜,汽车)都在内部集成多对天线。对于多天线系统的设计,天线之间的耦合度是一个关键指标。阵元间的互耦会引起阻抗失配、方向图畸变、辐射效率降低和通道容量减小等问题。朗普达创造性的提出了一种连接在两个或多个天线之间的,集成化的无源芯片,用以消除天线之间的耦合。通过一定的芯片选型和外围电路设计,使得天线可以在工作频段即匹配,又隔离,同时保持较低的相关系数和优良的辐射特性。
天线去耦合芯片技术从发明至今已经走过了8个年头,经过多年的技术积累和迭代,目前已经发展出两个品类多种的去耦合芯片。目前朗普达的AIR-1/2(AIR:Antenna Interference Reduction)去耦芯片分别基于耦合谐振结构与分支耦合网络进行设计,相比传统的去耦技术,其尺寸更小、集成度更高且适用于不同的天线场景。其中,AIR-1需外接调谐电路来调整解耦深度和谐振频点;AIR-2可直接与天线级联,对天线的布线和外围电路无任何约束,但是其结构相对复杂,封装难度稍大。

  • 封装工艺:LTCC多层压合
  • 封装尺寸: (2012)
  • 外部接口:2 (AIR-1) / 4 (AIR-2)

注1:现有AIR-1/2芯片的外部接口未统一封  装,接口的统一封装方案(4接口)正在开发中。

朗普达的超材料天线,专门针对需要高密度多天线密布的场景,主要针对5G,B5G的天线系统,特别是基站天线,提供低耦合,低相关性和高性能的解决方案。基于超(构)材料或介质覆层的天线低相关性设计。采用人造的超构材料,改变天线近场的等效煤质参数,进而改变天线辐射和耦合场分布,最终实现天线之间相关性降低和辐射增益提高。其工作机理如下图所示:

如图所示的两个天线相互之间由于物理距离很近,因此不可避免的存在着互相耦合造成的干扰。耦合主要有两条路径:

  1. 表面波耦合:由于馈电结构激励造成的在电路板介质表面存在的耦合。通过一定路径耦合到接收天线端,并被接收机接收。
  2. 空间波耦合:在空间中,发射天线辐射到自由空间的电磁波,不可避免的要在接收天线上感应出感应电流,该感应电流被接收机接收端口接收,这是耦合路径的第二部分。

上述两部分耦合在接收机端口处叠加,对接收机造成干扰。在无源参数上,这种干扰主要体现为散射参数(S参数),S21一般不足10~15dB。

为了解决这一问题,特别是在收发天线间距非常近的情况下,引入一层覆盖在天线表面的超材料表面,如图1.10所示。超表面会引入新的一路反射波路径,即:

3. 人为制造的反射波耦合路径。

合理的调控三条路径上耦合的幅度和相位,可以使得耦合的总效应互相抵消,这样就有效消除了单元之间的互耦。本项目将进一步深入研究,在给定天线形式和收发天线间距的情形下,如何通过设计超材料表面的单元特性,控制路径3的耦合,有效的抵消所有感兴趣频点下收发天线的耦合。

采用超表面之前及采用超表面耦合减小技术之后,收发天线的S参数响应示意如图所示:(其中感兴趣的频段为:f1~f2频点之间)

图1.11 (a) 收发天线间强耦合时S参数的示意响应 图1.11 (b) 收发天线间采用超表面耦合减小技术时S参数的示意响应

通过该种方式,可以将天线之间的间距从原来的大于半波长,缩减到小于0.3波长,达到天线口径缩减的效果。目前帮助深圳三星研究院设计的实物样机如图所示:

滤波器作为基站天馈部分的关键组件,在5G加速部署的过程中,用量较4G时代明显增加,而单个滤波器的设计难度和复杂度也有进一步提升。在2G-4G的蜂窝基站中,金属同轴谐振器是主流产品,同轴谐振器每一个腔体内仅支持一个谐振模式,因此体积和重量较大。金属同轴滤波器的设计有一套比较成熟的方法,具体而言,首先单独设计每一个谐振腔的尺寸,使其谐振在特定的频率。然后进行相邻腔体的仿真以确定它们之间耦合结构的尺寸,目的是实现合适的耦合系数。最后将所有部分连接为一个整体进行优化,或者通过在同轴谐振器的电容端设置辅助端口,以利用电路模型进行协同仿真以确定最终的物理尺寸。这里我们可以看到,这种设计方法仅适用于经典的同轴谐振器,而5G以及未来无线通信系统中具有广阔应用前景的介质多模谐振器,仍缺乏行之有效的设计和调试方法。5G对天馈部件的小型化提出了新的要求,目前应对这一挑战的主要方法是采用高介电常数的介质谐振器,以及采用多模谐振器。在多模谐振器中,一个腔体内可以同时支持多个谐振模式,因此改变一个腔体的物理尺寸就会同时影响到多个谐振模式的频率,以及多个耦合系数的大小,这一特点给滤波器设计以及滤波器加工后期的调试都造成了极大的挑战。目前滤波器技术还在不断发展,一方面它依赖于新材料新工艺的产生,另一方面新型滤波器的设计依赖于滤波器理论的应用,我们的优势就是能够充分利用成熟的滤波器理论,并且致力于将其应用于新型小型化滤波器的研发以及开发低成本的滤波器调试方案。

滤波器机械化自动调试在上世纪80年代计算机初步普及的时候就已经被提出,国内滤波器企业也曾投资上千万建设滤波器自动调试产线,但是多年以来各种自动调试机器的成功率都很低,其中关键原因是缺乏精确的自动调试算法,因此实际滤波器生产厂商还是采用人工调试,滤波器调试部门实际的情况如图1.13所示。自动调试机器调试成功率低的关键原因是缺乏有效的调试策略,如果基于耦合矩阵提取的策略准确性不能达到要求,那么提取的参数也无法用于指导器件的精确调试。

由于滤波器调试工作的挑战性,射频工程师甚至无法调试自己设计的滤波器。采用人工调试是目前滤波器生产企业依赖的解决方案,但是人工调试成本高昂,在5年前一名熟练的调试工人月薪就达到了2-3万元。对滤波器生产企业而言,另一个问题是很难直接招聘到熟练的调试工人,除了滤波器企业自身,没有机构能够培训出合格的调试工人,调试工人比高学历的滤波器设计工程师更少。对于一个没有调试经验的普通人,通常需要经过2个月的培训才能熟练掌握调试技能,这个技能主要依靠经验和感觉,因此无法有效地传授和教学,只有亲自实践和摸索才能掌握。在前期工作中,已经证实我们的计算机辅助诊断算法,可以帮助没有调试经验的人独立完成滤波器的精确调试,因此,如果将计算机辅助诊断算法和自动调试机器相结合,可以完成滤波器的批量自动调试。

朗普达的自动调试诊断技术优势如下:

  • 我们的滤波器自动调试技术是基于耦合矩阵解析提取方法的,它可以从滤波器的仿真或测量响应中直接提取出当前调谐状态下的电路模型,由于电路模型元件和滤波器物理结构有一一对应关系,就可以根据所提取的电路模型有针对性地指导滤波器设计方案的改进,或进行实际滤波器的调试。整个提取算法是基于滤波器电路模型理论,以电磁场工作原理为物理背景,利用矢量拟合法这一数学工具实现的。与基于优化的电路模型提取方法相比较,该方法不依赖高质量的优化初始值,并且计算速度更快,因此适合滤波器的大规模调试。与其它电路模型直接提取方法相比,我们的方法包括以下关键技术:
  1. 发明了一种根据零极点分布去除端口加载相位和传输线的方法。在滤波器的仿真和测量过程中,端口总是存在一定长度的传输线,为了提取滤波器的电路模型,首先必须去除端口传输线引入的相移。利用物理方法去除传输线相移,必须精确测量传输线横截面尺寸以计算其传播常数,同时还需确定参考面的位置,在实际操作中难度极大。我们提出一种利用系统零极点分布规律去除端口传输线的方法,该方法无需测量传输线的物理尺寸,仅根据测量或仿真S参数的零极点分布规律即可将传输线相位移除,方法简单快捷。该方法适用于多种类型的端口与传输线横截面,同时适用于不同类型的滤波器网络。
  2. 建立了一套多端口网络的电路模型提取策略。在目前公开发表的文献中,绝大多数电路模型提取算法都是针对两端口带通滤波器的,而实际无线通信系统中常用的双工器,多工器,多路频率功分合路单元等多端口滤波网络,因为阶数高、拓扑结构复杂、测量结果受噪声干扰严重等问题,缺乏有行之有效的电路模型提取方法。基于多端口耦合矩阵理论,根据电路模型拓扑结构特征,我们改进了矢量拟合法的拟合基函数,使其能够在噪声干扰较严重的情况下,仍然能够准确提取高阶多端口网络的电路模型,并且设计了多种等效变换策略,可以将多端口网络转化为与物理结构有一一对应关系的目标结构,从而诊断出当前调谐状态下的各个谐振器的谐振频率以及耦合系数的大小。
  • 整套电路模型提取方法具有一般性,体现在以下五个方面:
  1. 它适用于各类谐振器构成的滤波器,如微带线谐振器,基片集成波导谐振器,波导腔体谐振器,同轴腔体谐振器,介质谐振器,超导谐振器等等;
  2. 它既适用于单模谐振腔也适用于多模谐振腔;
  3. 它既适用于双端口的滤波器,也适用于由多端口的复杂网络,比如双工器,多工器,天线解耦网络等等;
  4. 它适用于微波,毫米波等各个频段的器件;
  5. 它既可以从仿真S参数,也可以从测量得到的S参数提取出电路模型。
  • 我们提出了自适应计算机辅助调试策略。滤波器的电路模型提取技术可以诊断出目前调谐状态实现的各项参数指标大小,但是为了判断出哪几项指标出现了问题,还需要各项指标的目标值作为参考依据。自适应调试策略的核心思想是根据待调谐滤波器的特点,寻找合理的调试目标值。目标值的合理性体现在它考虑到滤波器各个参数的调节范围,同时还考虑到器件的功率损耗与寄生耦合效应等非理想因素的影响。与利用理想的无损耗电路模型作为调谐目标的传统方法相比,自适应调谐方法可以提高调试成功率,更加精确地完成滤波器调试。

整套的自动调试设备如图所示:

更为关键的,配合自动调试设备的设计,提取,控制软件,目前已经开发完成基本功能,如图所示:

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(Over The Air)测试系统。对于研发人员来说,便携高效的OTA测试系统是梦寐以求的,以便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。因此,西安朗普达通信科技有限公司具有核心专利的毫米波移动式测试箱应运而生,成为毫米波频段OTA测试设备的优选方案。

朗普达毫米波移动式测量箱具有以下优点:

  • 系统体积小、方便移动,适合研发办公室或者产线
  • 测试频段范围广(支持18 GHz到50 GHz,且可扩展至6-87GHz),涵盖了目前大部分毫米波OTA测试需求。宽带的高性能探头是其中关键的组件,为朗普达测量团队独立研发,已经申请了中国发明专利。
  • 有激光定位系统,水平和垂直面均有十字激光设计,并标有参考十字线,方便DUT精准摆放。
  • 高精度转台双轴设计,水平转台和悬臂转台采用垂直面一体设计,以确保机械装置的精度和测量精度。该项设计已经申请中国实用新型专利。
  • 测量内容丰富,测试软件可定制输出客户感兴趣参数。

系统的外观如图所示:

系统的功能框图如图所示:

系统规格如表所示:

无论是滤波器还是天线,产品性能除了量测和诊断,最为核心的还在设计过程。目前微波无源器件及天线,在设计阶段,除了基本的原理、公式以及历史模型的改型之外,大多数依赖CAD/CAE软件来进行。市场上主流电磁仿真软件如HFSS、FEKO属于国外软件,一旦被剥夺使用权,我们将陷入无软件可用的处境,且该软件售价高昂,无法突破核数限制,例如:

HFSS目前有两种出售方式:

  • 核数分档位出售,不同档位支持的核数固定,不能灵活选择核数,如32核需170万左右,128核 需212万左右,512核需255万左右;
  • 不分档位,只限制核数阈值,在阈值范围内可以灵活指定调用的核数。如64核需250多万,256核需400多万。

因此我们急需突破核心技术,建立国内的电磁仿真系统。目前最常用的国产电磁仿真软件东峻科技,包括全波时域有限差分法(FDTD)和高频物理光学法(PO),时域有限差分法(FDTD)主要用于“10-1000倍波长”体系的精确电磁波求解,PO算法主要用于“千波长以上”超大物体的近似求解,但这类方法的缺点也很明显,在离散过程中会产生网格色散误差,而基于积分方程的方法由于其引入了格林函数,大大减少了色散误差,得到的结果更加精确;除此之外物理光学法仅适用于形状规则的目标散射特性求解,对含有边缘、腔体和尖角等复杂结构的目标体散射特性会出现严重的误差。综上所述,我们研究了基于MPI的并行矩量法,实现了更高的精度并突破了CPU核数的限制,使得复杂电大尺寸目标电磁问题的精确求解。

标准检测场地介绍

朗普达检测场地基于全套自主知识产权的232宽带探头近场测量系统,如下图所示。通过已经申请中国发明专利的自研探头,实现了400MHz直接到10GHz的覆盖(为业内首创)还可以扩展第二套探头系统覆盖10-87GHz。一体化的转台同样申请了中国专利。另外,232探头为目前世界上规模最大的多探头近场测量系统,能够实现DUT极限尺寸大于6米的测试能力,以及角度分辨率小于1.5度的采样精度。另外,朗普达测量团队通过自研,改进了传统多探头近场的采样方法,采样效率提高了四倍,该技术也申请了中国发明专利。

从频率覆盖,采样精度,测试效率,维护难易等角度,基于朗普达团队自研,自建,自行运维的标准化监测系统,一旦建成,将有力缓解目前5G新增的大量天线的测试需求,并填补国内乃至国际在6-10GHz频段的测试能力空白,成为具有行业标杆性质的标准化检测中心。

效益评估

  • 可提供5G/6G,卫星通信,车联物联网相关产品测试能力
  • 目前获得了多家企业和科研院所的合作意向,可建立起按月包场的盈利模式
  • 场地后续将完善标准化体系,包括通过运营商认证的方式来拓展客户群体以及规范和提供测试水平
  • 结合中西部地区高校和科研院所众多的实际情况,还可以为各高校和科研院所提供按小时计算的测试服务