多层低温共烧陶瓷技术制备5G接入点天线集成模块外文翻译资料

 2022-07-05 03:07

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多层低温共烧陶瓷技术制备5G接入点天线集成模块

摘要：基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术，人们已经发明了一套完整的流程来满足5G通讯所需的多层天线模块的发展。该方法运用LTCC工艺中的3D集成功能，通过采用介质嵌入式平行板波导（PPWs）在垂直配置中实现一个完整的企业馈线网络（CFN）。PPW的线路拥有通孔行，相对于标准的衬底集成的波导回馈网络，PPW的导域正交于通孔行，并沿结构的垂直轴传播。CFN提供4个长插槽，没有任何耦合结构，并且能够进行宽频操作。最后的原型包括18个LTCC生带，总厚度3.4mm，测得的-10dB阻抗带宽为51.2到66GHz（gt;25.2％）。该模块生成固定的宽边光束，因此可以很容易地在H平面中实现多波束操作。在50-66 GHz频段，峰值增益为14.25 dBi，H平面第一旁瓣电平平均为-20.6 dB。上述所提出来的技术和设计理念适用于高度集成毫米波系统，如未来v波段高数据速率无线网络的接入点。

关键词：封装天线，企业馈线网络，5G，低温烧结陶瓷，毫米波天线，毫米波技术，横向地磁波导。

Ⅰ.引言

随着移动数据流量的指数级增长，人们急需一种能够实现每秒千兆位次连接的新技术方案。世界范围内可用于V波段的大型非授权频谱，例如欧洲57-66GHz频段，能够满足短距离系统对高容量毫米波电池的需要。后者将会在未来和标准微波技术共存在5G架构中，以此基本覆盖手机用户1-3。毫米波技术和天线是发展宽带，高速无线接入和在5G异构网络中进行反向传输的关键因素。60GHz无线电及其相关技术的设计一直是过去二十年的热门话题。然而，在满足毫米波移动网络的天线要求过程中仍然存在一些设计和技术问题，比如要求部分带宽大于15%，高效率，接入点和回程的增益分别为sim;15和30 dBi以及波束切换功能。人们迫切需要一种可以与收发器进行包内集成的天线堆叠片。集成和封装天线的解决方案4-6有很大的希望在高度封装的同时提供高性能。5G网络的期望增益和扫描能力需要大的天线孔径。尽管平面打印阵列由于成本和包装的原因非常有吸引力，但是它们冗长的馈线网络导致其非常低的效率。衬底集成波导（SIW）中的开槽波导和开放腔阵列7-9实现了适合回程的增益值。然而，它们通常需要庞大完整的企业馈线网络，这些网络在堆叠层上实施并通过耦合元件互相连接，从而产生窄带行为并增加整个系统的损失。此外，需要精确的制造工艺将CFN嵌入多层基板。针对封装天线，人们提出了若干技术方案，比如聚四氟乙烯10，熔融石英11，液晶聚合物12和低温共烧13-17。LTCC过程为多层配置提供了无与伦比的设计灵活性。该技术允许设计者堆叠大量的介电和金属层，并分配堆叠和交错的通道。这些功能对于设计垂直配置中的低损耗网络非常有吸引力。另一方面，LTCC材料的高介电常数会影响天线的性能19。

在这篇文章中，我们将介绍一种在垂直配置中的新型衬底嵌入式全企业馈线网络和一种用于高级封装天线的LTCC集成平台。在最先进的衬底集成波导馈电网络中，信号被引导到分散波导模式，如quasi-TE10，并通过光阑连接到辐射段。相比之下，我们引入基于垂直平行板波导（PPW）线的非分散真实时间延迟网络，这一网络是通过嵌入基底的堆叠过孔行实现的。设计而成的CFN支持准横向电磁（TEM）模式，能使信号沿着垂直方向传播，并且提供四个长插槽阵列。本文通过图1所设计的天线结构和实验特性来展现用于毫米波接入点链路的集成5G天线所要求的LTCC技术和所设计CFN的宽带功能。其利用了在紧密耦合的长插槽中的并行馈电阵列的宽带特性20-21。

图1. 所设计天线的3D（a）和xz平面的截面（b），标明了模块的基础部件，单位为毫米

人们发明了一种基于抛物盒的准光学波束形成器22-23用来作为CFN的激发源，即使这个装配好的模块只能生成一个固定光束，也能在一个平面上进行多波束操作20。而LTCC工艺则是基于Ferro A6-M磁带系统（εr=5.74，tandelta;=2.3times;10），尽管该过程存在着堆叠的复杂性，但是却能保证较高的准确性。本文结构如下：第二节介绍了垂直基底一体化PPW（SI-PPW）的关键概念及其在设计非色散CFNs方面的好处；在第三节中，详细介绍了模块的每个子系统的设计；在第四节中，讨论了LTCC过程和设计规则；第五节报告导向和辐射测量，并与现有技术相比较；第六节得出结论

Ⅱ.垂直衬底集成PPWs

图1显示了衬底集成的PPW CFN。第三节D部分和图5（a）显示了该设计的更多细节。我们提出的嵌入式CFN的宽带特征依赖于垂直基板集成PPW线的恰当操作。采用计算机数控铣削技术，可以制造出空心PPW技术中要求的的标准元件和CFNs，然而要想在具有平面工艺的电介质嵌入结构中实现该目标却十分具有挑战性。我们利用通孔行模仿用于理想PPWs的连续金属板，图2更详细地分析了基本的过孔PPW线，假设在相距h1的两块具有相对介电常数的Ferro A6-M基底材料上分别嵌入两排长度为l1的通孔，通孔直径（0.15mm）和间距（0.3mm）对应于CFN实际设计的值，下面讨论由于在过孔行之外传播而引起的SI-PPW的泄漏损失。数值计算基于Ansys HFSS 15的全波仿真，如图2所示，通孔制造的PPW部分连接到两个理想的PPW线路上，以便通过波形端口（端口1和端口2）给予适当的激发，在最终的系统中，omega;1远大于h1，PPW线的值取l1（见第三节D部分），以近似于在y方向无限延展的理想PPW线，在分析的结构中，已经考虑了omega;1的几个有限值，并且在边缘施加了完美的磁导体（PMC）边界。为了估算泄露损失，忽略了衬度损耗（tandelta;=0），并且假定过孔和金属是理想导体。当h1=0.48mm时，在60GHz下的仿真衰减非常低，约为3times;10-6Np/mm2，即传播方向上的每单位长度的和通孔结构的宽度损耗，例如，在实际的CFN中omega;1=30mm，由于泄露造成的沿z方向的衰减为〜0.08dB/m。该值与典型的低损耗SIW中的泄漏损失相当24。

图2. 在理想导体和基底（εr=5.74，tandelta;=0）的条件下，为了计算带通孔的LTCC叠片完全嵌入式PPW线路的损耗，所做的模拟装置

SI-PPW的整体损失是参照设计的CFN中使用的特定几何结构来评估的，两个平行的通孔行的中心到中心的距离为h1=0.48mm，考虑到有限的结构，取宽度omega;1=30mm，通孔的直径和间距与图2中的相同，Ferro A6-M 的工艺参数为εr=5.74，tandelta;=2.3times;10-6；作为金属使用的金糊状物导电率sigma;=7times;106，SI-PPW由两个波形端口激发，仿真设置与图2中所示类似，并且假设结构沿y方向是有限的，用辐射边界替代PMC边界，设置几个不同的l1值，由此可以推导出60GHz下每单位长度的损耗，表1报告了每种损失机制的计算值，将它们与标准PPW线相比较，而标准PPW线采用的是被 Ferro A6-M 完全填充的电导率为sigma;的连续金属板。当几何参数（h1，omega;1，l1）相同时，SI-PPW的总损失为0.062dB/mm。欧姆损耗对总损耗的贡献最大（0.039dB/mm）。据观察，与标准PPW线（0.021dB/ mm）相比，通孔结构引入额外的欧姆损耗，给定小通孔间距，SI-PPW的泄漏损失几乎可以忽略不计，并且两条线路的介电损耗（0.023 dB/mm）相同， 总之，由于通孔造成的损耗增加是有限的，并且具有紧密间隔通孔的SI-PPW的总衰减与在其他mm-波层板上测量的值相似。作为参考，在低损耗聚四氟乙烯衬底（Delta;r= 2.16，tandelta;= 7times;10-4，sigma;= 1.85times;107）上，SIW线在60GHz下的衰减为0.013dB/mm25，LTCC组件每单位长度损失较大。而在[18]中，在有损耗的LTCC衬底中，SIW线的衰减为0.189 dB / mm（εr = 6.6，tandelta;= 0.013，sigma;= 3.3times;107）。

表 Ⅰ

60GHz下对Ferro A6-M材料填充的标准PPW和Ferro A6-M材料上的SI-PPW的模拟损耗

线路类型

欧姆损耗（dB/mm）

介电损耗（dB/mm）

泄露（dB/mm）

总计损耗（dB/mm）

Ferro A6-M材料填充的标准PPW

0.021

0.023

-

0.044

Ferro A6-M材料上的SI-PPW

0.039

0.023

8times;10^-5

asymp;0.062

为了体现垂直配置中嵌入式全CFN的概念，定义SI-PPW的过孔行分布在不同的堆叠磁带上，电场由非分散性PPW通过模块的垂直轴引导，它垂直于限制在垂直PPWs的通孔行，即沿着x方向。

文献中已经提出了几种多层SIW功率分配器和馈电系统9,13，然而，它们都是基于支持色散波导模式的叠层波导，在垂直于衬底垂直轴的方向上传播，并且E场与通孔行平行，垂直耦合通过SIW的金属板上的孔实现，并且通常仅在窄带中有效，但是可能需要高制造精度的导体样品。就我们所知，已经证实了在SIW中不能实现沿多层衬底的垂直轴引导传播的全CFNs，这是由于矩形SIW在垂直方向上不能较好的传播。事实上，考虑到通孔间距的现有技术限制，通孔行不能有效支持矩阵波导宽边缘上的准TE10模的表面电流分布。在15中介绍的用于波形喇叭垂直SIW结构通过在波导的每一侧使用三个平行的通道栅栏实现了良好的场效应，考虑到阵列间距较小，多个通道栅的解决方案于对于设计在毫米波处的集成衬底CFN在可能不太适用。 相比之下，我们提出的垂直通孔SI-PPW的概念允许通过在PPW的每一侧使用完全嵌入在LTCC衬底中单个通孔行来设计在准TEM模式下工作的CFN。

Ⅲ.天线模块的设计

如图1所示，底部的端面发射连接器为天线系统提供能源，一种用于向SIW过渡的接地共面波导（GCPW）将信号传输到SIW扇形喇叭，即准光学波束形成器的输入。值得注意的是，我们提出的LTCC平台能够使连接到波束形成器的输入馈电IC得到整合。其工作原理是喇叭照亮抛物面通孔反射器，而多插槽抛物盒引导信号朝着PPW CFN输入，输入的信号平行送入四个长槽，由一个与之相匹配的掩蔽物装载。该装置的最终尺寸为32.5times;34times;3.4mm3，而阵列仅占总面积的8.4times;34mm2，因为装置仅含四个槽，而抛物线的焦距要大得多。目前的设计旨在验证LTCC集成过程，尚未优化以减少层数（已使用了18个磁带），通过使用相同数量的磁带可以重新设计模块以分配到更大的阵列，例如八个或更多个插槽。下面我们将详细描述每个子系统，并假设对于衬底Delta;r= 5.74和tandelta;= 0.0023，对于金属，其热导率sigma;= 7times;106，用Ansys HFSS 15进行全波模拟。

  1. 输入系统

同轴终端发射连接器（Southwest Microwave，型号1892-03-A-6）为印在模块金属化底部的50-Omega; GCPW线路提供能源，GCPW转换将来自输入线的信号引导至馈送波束形成器的喇叭。图3（a）显示了转换的细节，条纹的宽度和GCPW的间隙分别为0.40和0.20mm，GCPW逐渐与宽度为1.70 mm（过孔排的中心距）的SIW线匹配，从而确保在37-75 GHz频段内实现单模传播。 SIW线厚度选为0.40 mmasymp;0.2lambda;d以降低其损耗，其中lambda;d为60 GHz电介质中的波长，GCPW线具有相同的高度，即信号平面和参考地之间的距离，使得输入系统占据两个厚度为0.2mm的LTCC带，占据装置长度为2mmasymp;lambda;d的锥形部分，在与SIW和两个lambda;d/ 4长耦合短截线的接口处，GCPW线的阻抗步骤保证了阻抗和场匹配。调整耦合槽的宽度以最大限度地将场传输至SIW线，GCPW周围的通道栅栏旨在抑制表面波和PPW模式，由于工艺的限制，选择所允许的最小直径（0.15 mm）和间距（0.30 mm）以尽量减少SIW线路中的泄露24。转换的模拟性能如图3（b）所示，模拟中包含了端部发射连接器的模型，端口1指的是同轴连接器的输入反射系数在50-70 GHz频带内低于-10 dB，在设计频带（57-66 GHz）内低于-18 dB。在此范围内，插入损耗约为sim;0.65dB。

图3. GCPW与SIW同轴以完成输入信号转变。（a）几何外观和堆叠层（放置在顶端），单位为毫米。（b）当系统由V频段端部发射连接器馈电时的

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