5G毫米波天線設(shè)計(jì)需要權(quán)衡取舍

24GHz以上的5G新空口FR2（NR FR2）頻譜被稱為毫米波（mmWave），提供極高的吞吐速度，能夠支持大量的設(shè)備，但此范圍內(nèi)的信號(hào)與大多數(shù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員所使用的6 GHz及以下頻段的信號(hào)截然不同。

為5G毫米波構(gòu)建有源相控陣天線需要非常緊湊的設(shè)計(jì)。天線單元需要以半波長（即5mm）的間距放置。同時(shí)，每個(gè)天線單元需要有一個(gè)連接到兩個(gè)極化饋電器的發(fā)射/接收通道。公司網(wǎng)絡(luò)也包括在內(nèi)，整個(gè)設(shè)計(jì)必須在小面積區(qū)域內(nèi)提供高熱流。即便對于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來說，創(chuàng)建滿足所有要求的層疊式PCB也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

運(yùn)行參數(shù)的微小變化可能導(dǎo)致天線無法按預(yù)期工作，需要重新設(shè)計(jì)、重新制造和再次測試各組件、子系統(tǒng)甚至整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致開發(fā)周期更長、開發(fā)成本更高。此外，還需要考慮物理?xiàng)l件，因?yàn)樯a(chǎn)、裝配和日常操作條件可能會(huì)使精密電子元件承受過高的壓力，以及具有破壞性的熱量和溫度波動(dòng)。除了這些挑戰(zhàn)之外，大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都在努力滿足緊迫的期限和嚴(yán)格的交付日期，對于5G毫米波技術(shù)的初學(xué)者來說，學(xué)習(xí)曲線特別陡峭。

我們的團(tuán)隊(duì)剛剛完成了64單元天線演示器的開發(fā)，這個(gè)演示器在5G毫米波的24GHz到28GHz頻率上工作，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在開發(fā)過程中親歷了上述艱辛。

作為一家半導(dǎo)體公司，我們通過這類項(xiàng)目制作系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，為客戶提供幫助。在系統(tǒng)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們獲得了內(nèi)部專業(yè)知識(shí)，可指導(dǎo)客戶解決各種設(shè)計(jì)難題，更重要的是，我們創(chuàng)建量產(chǎn)型解決方案，使我們的客戶能夠跳過學(xué)習(xí)曲線中的大部分階段。換言之，我們經(jīng)歷了整個(gè)開發(fā)流程，進(jìn)行權(quán)衡、評估各種選擇并改進(jìn)設(shè)計(jì)，而我們的客戶不必重復(fù)這些工作。

我們的故事

下圖展示了恩智浦團(tuán)隊(duì)所創(chuàng)建產(chǎn)品的部件分解圖。

5G毫米波天線演示器

20多位專題專家團(tuán)隊(duì)在恩智浦及生產(chǎn)、設(shè)計(jì)天線的重要合作伙伴公司完成了天線設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)，以及性能測試，他們充分發(fā)揮了各自在波束圖驗(yàn)證、熱力學(xué)、AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)、LVDS控制、FPGA設(shè)計(jì)和PCB制造等領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。

核心組件

汽大多數(shù)5G毫米波天線設(shè)計(jì)的核心是波束賦形IC，它把高頻信號(hào)聚焦到特定的接收機(jī)，使連接更直接、更快速、質(zhì)量更高和更可靠。多個(gè)波束賦形IC連接和排列成規(guī)則結(jié)構(gòu)，稱為相控陣列。相控陣列將信號(hào)進(jìn)行組合，產(chǎn)生單個(gè)天線無法實(shí)現(xiàn)的輻射模式。波束賦形用于改變每個(gè)天線單元的信號(hào)的幅度和相位，便于容易聚焦和操縱。

恩智浦64單元天線演示器設(shè)計(jì)幫助開發(fā)人員節(jié)省時(shí)間和精力。 觀看入門流程并獲得校準(zhǔn)測量技巧。

好的波束賦形器IC有助于優(yōu)化每個(gè)無線元件的整體性能、功耗和成本，因此在考慮設(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)應(yīng)予以優(yōu)先考慮。在本例中，我們使用恩智浦MMW9014波束賦形IC，這是一款高度集成的5G 4通道雙極化模擬波束賦形IC，采用非常小巧的FO-WLPBGA封裝（6.5 mm x 6.1 mm x 0.56 mm），有182個(gè)凸點(diǎn)。

選擇了波束賦形器后，下一步構(gòu)建天線面板PCB和外殼。事實(shí)證明這個(gè)步驟特別重要，也特別棘手。

天線面板PCB和外殼的視圖

防止翹曲

我們面臨的一個(gè)最大挑戰(zhàn)是需要在天線翹曲與熱管理之間進(jìn)行權(quán)衡。我們需要獲得合適的電磁（EM）性能，創(chuàng)建可在目標(biāo)頻率下可靠工作的天線，同時(shí)確保穩(wěn)定的熱環(huán)境，從而保護(hù)電子器件不出現(xiàn)故障并防止天線PCB翹曲。

我們的目標(biāo)是翹曲度低于0.22%，但事實(shí)上我們超越了這個(gè)目標(biāo)，測量結(jié)果在0.132%到0.175%之間。能夠獲得非常低的翹曲度是因?yàn)樽龀隽巳舾芍匾脑O(shè)計(jì)決策。完成天線單元設(shè)計(jì)后，我們將這種結(jié)構(gòu)映射到我們對天線、控制、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、電源線和地面結(jié)構(gòu)的要求中。圍繞中央內(nèi)核對稱地創(chuàng)建12層PCB。任何翹曲都是源自PCB的金屬和介電元件的不同熱性能而造成的累積應(yīng)力。

如圖所示，PCB的下6層創(chuàng)建天線，上6層管理饋電、電源以及模擬和數(shù)字分布。

天線面板的橫截面，包括材料牌號(hào)、層分配、已實(shí)現(xiàn)板的尺寸和照片

PCB層疊在z軸上對稱。由于銅會(huì)干擾天線元件的運(yùn)行，因此我們將系統(tǒng)的所有銅分布在PCB的側(cè)邊，遠(yuǎn)離天線陣列。

為了進(jìn)一步提高天線的可靠性，并且使PCB對由于熱循環(huán)引起的故障具有更強(qiáng)的恢復(fù)能力，我們將層疊過孔的數(shù)量限制為3個(gè)，如果需要更多的過孔，則使用交錯(cuò)。交錯(cuò)過孔可抵消銅和電介質(zhì)等PCB材料的不同熱膨脹系數(shù)帶來的損傷效應(yīng)。制造階段會(huì)出現(xiàn)高溫，尤其是進(jìn)行焊接時(shí)，這種方法即使在焊接后也能減少翹曲。

為了防止散熱器損壞小巧的MMW9014K封裝，我們將夾持力保持在每球小于1g，防止焊球在天線工作壽命期間的蠕變導(dǎo)致短路。

為了增加對PCB的保護(hù)，并保持它的形狀，我們將PCB放置在可調(diào)節(jié)的框架中。該可調(diào)式框架一側(cè)采用尼龍制造，目的是減少天線干擾，另一側(cè)采用金屬制造，這樣能夠安裝PCB，而不會(huì)增加施加在精密電路上的物理應(yīng)力。

面板演示器套件

保持涼爽

為了保證IC的壽命，需要管理熱流。這是盡量減少翹曲的另一個(gè)手段，因?yàn)檫@意味著可以使用非常薄的熱界面材料（TIM）。TIM通常是熱鏈中熱阻最高的項(xiàng)目，因此目標(biāo)是使其盡可能薄。為了簡化裝配，TIM被整體地用于散熱器硅中介層，該散熱器硅中介層是演示器機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。演示器的物理外殼可拆卸，便于管理內(nèi)部連接器。在空間受限的小空間天線測量室中工作時(shí)，這一點(diǎn)非常有優(yōu)勢。

該毫米波拆分網(wǎng)絡(luò)被作為企業(yè)分束器。為了改善分束器和天線饋源之間的隔離，我們把傳輸線放在內(nèi)層上。結(jié)果表明，在波束賦形增益為30dB的情況下，仍具有無振蕩特性。我們還設(shè)計(jì)了傳輸線與TIM和散熱器配合使用，以滿足設(shè)計(jì)的散熱要求。天線的掃描范圍為±45°。

最后，我們的Vcc分布決策簡化了設(shè)計(jì)，提高了效率。我們使用19V電源生成所需的2.8V工作電壓，可通過標(biāo)準(zhǔn)AC/DC轉(zhuǎn)換器使用單個(gè)電源，并減少天線測量室所需的布線數(shù)量。所有電源線的當(dāng)前路徑都將前轉(zhuǎn)路徑和返回路徑都置于指定位置。

準(zhǔn)備運(yùn)行

我們利用團(tuán)隊(duì)的綜合專業(yè)知識(shí)，并借助恩智浦在天線陣列和批量生產(chǎn)方面的長期成功經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建了一款獨(dú)立解決方案，供任何構(gòu)建5G毫米波天線陣列的人員使用。

面板演示器隨附在套件中，該套件包含分析天線參數(shù)所需的一切，包括陣列中每個(gè)天線的溫度。該演示器經(jīng)過天線模式完全校準(zhǔn)、波束圖驗(yàn)證并遵循批量制造準(zhǔn)則，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可快速從原型制作進(jìn)入大規(guī)模制造階段，系統(tǒng)采用嚴(yán)格的走線寬度、盲過孔和層厚度等設(shè)計(jì)規(guī)則。

與Matlab配套使用的單獨(dú)的評估工具包隨附了一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器和.dll格式的示例代碼，提供了額外的分析選項(xiàng)。該演示器還具有FPGA接口板，可將PC的USB連接轉(zhuǎn)換成天線陣列使用的LVDS主信號(hào)和控制信號(hào)。

可調(diào)節(jié)框架保護(hù)精密電路并幫助盡量減少天線干擾

感謝為項(xiàng)目作出貢獻(xiàn)的整個(gè)團(tuán)隊(duì)：

• 恩智浦：

Mustafa Acar

Konstantinos Giannakidis

Harm Voss

Nick Spence

Arthur van de Kerkhof

Ashutosh Dwivedi

Dick van de Broeke

Evert van Capelleveen

Jan Willem Bergman

Jeroen Zaal

Arjan van den Berg

John Janssen

Rajesh Mandamparambil

Ramon Groot Wesseldijk

Paul Mattheijssen

• TNO

Roland Bolt

Erwin Suijker

Stefania Monni

• Philips

Yizhe Yin

Arthur van Es

Ruud Olieslagers

Nico van Dijk

Peter Snoeijen

Randy Kesselmans

Bas Driessen

Erik van Weert

• LV Electronics

Carlos Verdonck

• TU/e & AntenneX

Teun van den Biggelaar

Roel Budé

作者：

Marcel Geurts

恩智浦首席系統(tǒng)架構(gòu)師兼客戶項(xiàng)目經(jīng)理

Marcel Geurts是主要負(fù)責(zé)恩智浦無線電產(chǎn)品的毫米波、預(yù)驅(qū)動(dòng)器和RxFEM產(chǎn)品組合，用于客戶支持和合作項(xiàng)目。他負(fù)責(zé)26GHz天線面板演示器的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，并支持客戶采納。

Johan Janssen

恩智浦首席應(yīng)用工程師

Johan Janssen主要負(fù)責(zé)恩智浦針對基礎(chǔ)設(shè)施的RF產(chǎn)品，并支持客戶在其最終系統(tǒng)中采納LNA、ABF和RXFEM產(chǎn)品。他負(fù)責(zé)26GHz天線面板演示器的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，并支持客戶采納。