Vol.3支持“5G”通信的TDK“LTCC AiP”技術

繼LTE/4G通信之后，第5代移動通信系統(tǒng)“5G”服務已在世界范圍內啟動。利用毫米波帶的電波實現(xiàn)“超高速、大容量”、“多用戶同時連接”、“超低延遲”的5G通信中，將會大量設置的小型基站的“多元天線”發(fā)揮著極其重要的作用。TDK正在利用在高頻元件和模塊等制造過程中積累的LTCC技術，開發(fā)將多元天線的關鍵設備天線陣列和BPF（帶通濾波器）集合為一體的“LTCC AiP（封裝天線）”設備。通過采用低介電常數(shù)、低損耗的新型LTCC材料等措施，實現(xiàn)5G通信所需的高特性，同時還具有卓越的量產性、環(huán)境耐受性、放熱特性等，使靈活的5G通信系統(tǒng)設計成為可能。

“超高速、大容量”、“多用戶同時連接”、“超低延遲”是5G通信的3大特點

具有“超高速、大容量”、“多用戶同時連接”、“超低延遲”三大特點的5G通信，作為“萬物互聯(lián)”的 IoT/IoE 社會的通信基礎設施受到了全世界的極大關注。5G通信與過去的移動通信的不同點在于，5G通信采用的是毫米波^※帶的電波。
通信速度高達4G的10倍以上，實現(xiàn)了大容量通信，可在短短數(shù)秒內完成高清電影下載。

※一般情況下，毫米波 （EHF波） 指的是波長 1～10mm 、頻率在 30～300GHz 范圍內的電波。

在5G通信中，將頻率約在 24～100GHz 范圍內的電波（包括微波 （SHF波） 即頻率在 24 GHz 左右的電波）稱為毫米波。本文中所提到的毫米波指的也是在這個范圍內的電波。

另外，在5G通信中，與該毫米波帶一起被利用的還有頻率低于6GHz的微波。電波的頻率越高，越接近于光的性質，直線度增強，接收距離變短。因此，在采用毫米波電波的5G通信中，基站可覆蓋的通信區(qū)域小于LTE/4G。因此，如下圖所示，5G通信是通過疊加結構的網絡來提供服務的，這種疊加結構是在涵蓋現(xiàn)有LTE/4G及以下級別通信的宏基站上重疊設置大量涵蓋5G通信的小基站而構成的。

通過在現(xiàn)有宏基站(～LTE/4G）上重疊設置（疊加）大量小基站（5G），維持順暢的通信。

5G在具有超高速、大容量的特點的同時，還利用后面將要提到的一種名為“波束成形”的技術，實現(xiàn)在每平方千米范圍內同時連接100萬臺客戶端的多用戶同時連接功能。此外，通信延遲幾乎為零的超低延遲也是其一大特點。通過這些技術，
在諸如汽車和機械的遠程操控中，可實現(xiàn)絲毫感覺不到延時的無縫操作。同時，通過與機器人技術的融合，有望在遠程手術等方面大展拳腳。5G能夠使傳統(tǒng)通信不可能實現(xiàn)的多種多樣的應用成為可能，但在實用化和普及方面，還存在很多需要解決的技術課題。

多元天線和波束成形是5G通信的關鍵技術

在克服電波接收距離短這一難題的同時，可同時連接多個客戶端而無延遲現(xiàn)象的5G關鍵技術，是基站的“多元天線”和“波束成形”。多元天線是由數(shù)量在10～100以上的大量天線元件組成的多功能天線，通過控制由天線元件發(fā)射的信號的位相等，使電波以波束的形式射向遠方，同時將電波定點輸送至數(shù)量眾多的各個客戶端。這便是被稱為波束成形的技術。

Small Cell基站的多元天線向5G客戶端定點發(fā)送波束狀電波。由此，不僅能克服毫米波電波接收距離短的問題，還可實現(xiàn)多用戶同時連接功能。 

應用于多元天線的TDK的LTCC技術

在面向5G基站的多元天線方面，已經開發(fā)出了將多個天線元件按矩陣狀排列的平面陣列天線。在平面陣列天線中，每個天線元件按所用電波的約二分之一波長為間隔進行搭載。例如，頻率為20GHz的電波的元件間隔為約7.5mm，16×16=256個元件組成的平面陣列天線的尺寸是長約12cm的正方形。若頻率高于20GHz，則在相同的面積中可以集積更多數(shù)量的天線元件。但陣列天線還連接有BPF（帶通濾波器）和IC等元件，因此系統(tǒng)整體的小型化與陣列天線的制造方法有著極大的關系。另外，毫米波容易被障礙物屏蔽，要在高樓林立的街道和大型購物中心等場所維持穩(wěn)定的通信，需要設置大量的小型基站，并要求采用能夠以低廉的成本量產作為關鍵設備的多元天線的制造方法。而作為這方面較為恰當?shù)闹圃旆椒ǘ匦率艿饺藗冴P注的，是LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics：低溫燒成陶瓷)工藝。LTCC工藝是在高頻元件、模塊等制造過程中開發(fā)出來的積層陶瓷基板工藝。BPF等濾波器在原理上是由電感器（L）和電容器（C）組合而成的回路，但在高頻領域不能使用片式電感器和片式電容器之類的分立元件（單個元件）。因此，如下列模式圖所示，在介電陶瓷薄板上形成金屬導體的微細電路（微帶線），通過該導體線路，發(fā)揮其作為電感器和電容器的功能，制造BPF等高頻元件和模塊。

電容器層采用的是高介電系數(shù)的陶瓷材料、電感器層采用的是低介電系數(shù)的陶瓷材料，因所采用的薄板材質不同，將這些材料進行共燒需要非常高的技術。

在高頻領域，導體線路中的電阻成分會降低濾波器的特性，因此導體采用的是電阻較小的銀（Ag）。但銀的熔點是960℃，若按普通的陶瓷燒成溫度（1300℃左右）進行燒成，導體線路便會熔化變形。因此，為了保證能在低于銀熔點的低溫（約900℃）條件下完成燒成，一種在氧化鋁基陶瓷材料中添加特殊玻璃成分的基板材料被開發(fā)出來。LTCC工藝便是利用該低溫燒成陶瓷基板，對電感器部和電容器部的導體線路進行絲網印刷，然后將其層疊起來進行低溫燒成。

將天線元件與BPF集合為一體的“LTCC AiP設備”

在采用LTCC工藝制造高頻元件和模塊時，為實現(xiàn)小型化和提高特性，要使用不同材質的陶瓷薄板，即電容器層采用的是高介電系數(shù)的陶瓷薄板，電感器層采用的是低介電系數(shù)的陶瓷薄板。但是，若將這些薄板層疊并共燒的話，會因熱膨脹率等不同而出現(xiàn)翹曲和剝離等問題。TDK最先確立了“不同材質共燒技術”這種高端的LTCC工藝，解決了這一難題，并實現(xiàn)了用于移動通信客戶端的高頻濾波器和前端模塊等的產品化并投入市場。利用以該不同材質共燒技術為代表的常年積累下來的LTCC技術，面向5G通信基站的多元天線開發(fā)出來的，是TDK的“LTCC AiP（封裝天線）”設備。如下列產品外觀和截面圖所示，這是一種通過LTCC工藝將4×4的天線元件與BPF集合為一體（AiP）的復合型設備?？蓪⑻炀€元件與BPF在同一制程集合為一體，并制造出用于實現(xiàn)陣列天線的大型基板，這是只有LTCC工藝才有的優(yōu)越性（可根據(jù)用途提供僅有天線元件的產品或僅有BPF的產品）。

天線層采用低介電系數(shù)、BPF層采用低損耗（高Q特性）的新型LTCC材料被開發(fā)出來并得到應用，從而使毫米波帶也能得到更高的收益（利潤），這是LTCC AiP設備的一大特點。另外，與采用樹脂基板的產品相比，LTCC AiP設備的優(yōu)勢是具有卓越的環(huán)境耐受性和放熱特性，且設計的自由度高。另外，還可輕松應對26GHz帯、28GHz帯、39GHz帯等各種頻段，用于5G通信基站RF信號收發(fā)回路的多元天線，可發(fā)揮優(yōu)異的性能。 TDK還計劃利用毫米波電波暗室等，為客戶提供內置于套件后的特性評估和調整支持等服務。