5G毫米波天線設計的權衡取舍

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，能夠支持大量的設備，但此范圍內(nèi)的信號與大多數(shù)移動網(wǎng)絡開發(fā)人員所使用的6GHz及以下頻段的信號截然不同。

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

運行參數(shù)的微小變化可能導致天線無法按預期工作，需要重新設計、重新制造和再次測試各組件、子系統(tǒng)甚至整個系統(tǒng)，導致開發(fā)周期更長、開發(fā)成本更高。此外，還需要考慮物理條件，因為生產(chǎn)、裝配和日常操作條件可能會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。除了這些挑戰(zhàn)之外，大多數(shù)設計團隊都在努力滿足緊迫的期限和嚴格的交付日期，對于5G毫米波技術的初學者來說，學習曲線特別陡峭。

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

作為一家半導體公司，我們通過這類項目制作系統(tǒng)級設計，為客戶提供幫助。在系統(tǒng)層面進行設計，我們獲得了內(nèi)部專業(yè)知識，可指導客戶解決各種設計難題，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習曲線中的大部分階段。換言之，我們經(jīng)歷了整個開發(fā)流程，進行權衡、評估各種選擇并改進設計，而我們的客戶不必重復這些工作。

我們的故事

下圖展示了恩智浦團隊所創(chuàng)建產(chǎn)品的部件分解圖。

恩智浦5G毫米波天線演示器

20多位專題專家團隊在恩智浦及生產(chǎn)、設計天線的重要合作伙伴公司完成了天線設計、校準，以及性能測試，他們充分發(fā)揮了各自在波束圖驗證、熱力學、AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器設計、LVDS控制、FPGA設計和PCB制造等領域的專業(yè)知識。

核心組件

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

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好的波束賦形器IC有助于優(yōu)化每個無線元件的整體性能、功耗和成本，因此在考慮設計選項時應予以優(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個凸點。

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

天線面板PCB和外殼的視圖

防止翹曲

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

我們的目標是翹曲度低于0.22%，但事實上我們超越了這個目標，測量結果在0.132%到0.175%之間。能夠獲得非常低的翹曲度是因為做出了若干重要的設計決策。完成天線單元設計后，我們將這種結構映射到我們對天線、控制、企業(yè)網(wǎng)絡、電源線和地面結構的要求中。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、層分配、已實現(xiàn)板的尺寸和照片。

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

為了進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的恢復能力，我們將層疊過孔的數(shù)量限制為3個，如果需要更多的過孔，則使用交錯。交錯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。制造階段會出現(xiàn)高溫，尤其是進行焊接時，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致短路。

為了增加對PCB的保護，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，而不會增加施加在精密電路上的物理應力。

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手段，因為這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目，因此目標是使其盡可能薄。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械設計的基礎。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，這一點非常有優(yōu)勢。

該毫米波拆分網(wǎng)絡被作為企業(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。我們還設計了傳輸線與TIM和散熱器配合使用，以滿足設計的散熱要求。天線的掃描范圍為±45°。

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

準備運行

我們利用團隊的綜合專業(yè)知識，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，創(chuàng)建了一款獨立解決方案，供任何構建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，包括陣列中每個天線的溫度。該演示器經(jīng)過天線模式完全校準、波束圖驗證并遵循批量制造準則，因此設計團隊可快速從原型制作進入大規(guī)模制造階段，系統(tǒng)采用嚴格的走線寬度、盲過孔和層厚度等設計規(guī)則。

與Matlab配套使用的單獨的評估工具包隨附了一個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。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主信號和控制信號。

可調(diào)節(jié)框架保護精密電路并幫助盡量減少天線干擾

感謝為項目作出貢獻的整個團隊！

本文作者

Marcel Geurts是首席系統(tǒng)架構師兼客戶項目經(jīng)理。他主要負責恩智浦無線電產(chǎn)品的毫米波、預驅(qū)動器和RxFEM產(chǎn)品組合，用于客戶支持和合作項目。他負責26GHz天線面板演示器的設計、驗證，并支持客戶采納。

本文作者

Johan Janssen是首席應用工程師。他主要負責恩智浦針對基礎設施的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。他負責26GHz天線面板演示器的設計、驗證，并支持客戶采納。