Vol.3支持“5G”通信的TDK“LTCC AiP”技術(shù)

繼LTE/4G通信之后，第5代移動通信系統(tǒng)“5G”服務(wù)已在世界范圍內(nèi)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(shè)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(shù)，開發(fā)將多元天線的關(guān)鍵設(shè)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(shè)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(chǎn)性、環(huán)境耐受性、放熱特性等，使靈活的5G通信系統(tǒng)設(shè)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(chǔ)設(shè)施受到了全世界的極大關(guān)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(nèi)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(nèi)的電波。

在5G通信中，將頻率約在 24～100GHz 范圍內(nèi)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(nèi)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(zhì)，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(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來提供服務(wù)的，這種疊加結(jié)構(gòu)是在涵蓋現(xiàn)有LTE/4G及以下級別通信的宏基站上重疊設(shè)置大量涵蓋5G通信的小基站而構(gòu)成的。

通過在現(xiàn)有宏基站(～LTE/4G）上重疊設(shè)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(shù)，實現(xiàn)在每平方千米范圍內(nèi)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(shù)，
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(shù)的融合，有望在遠程手術(shù)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(yīng)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(shù)課題。

多元天線和波束成形是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

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(guān)鍵技術(shù)，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(shù)。

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(yīng)用于多元天線的TDK的LTCC技術(shù)

在面向5G基站的多元天線方面，已經(jīng)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(guān)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(shè)置大量的小型基站，并要求采用能夠以低廉的成本量產(chǎn)作為關(guān)鍵設(shè)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(guān)注的，是LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics：低溫?zé)商沾?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(lǐng)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(dǎo)體的微細電路（微帶線），通過該導(dǎo)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(zhì)不同，將這些材料進行共燒需要非常高的技術(shù)。

在高頻領(lǐng)域，導(dǎo)體線路中的電阻成分會降低濾波器的特性，因此導(dǎo)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(dǎo)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?zé)商沾苫?，對電感器部和電容器部的?dǎo)體線路進行絲網(wǎng)印刷，然后將其層疊起來進行低溫?zé)伞?/p>

將天線元件與BPF集合為一體的“LTCC AiP設(shè)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(zhì)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(zhì)共燒技術(shù)”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(chǎn)品化并投入市場。利用以該不同材質(zhì)共燒技術(shù)為代表的常年積累下來的LTCC技術(shù)，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(shè)備。如下列產(chǎn)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(fù)合型設(shè)備。可將天線元件與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(chǎn)品或僅有BPF的產(chǎn)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(yīng)用，從而使毫米波帶也能得到更高的收益（利潤），這是LTCC AiP設(shè)備的一大特點。另外，與采用樹脂基板的產(chǎn)品相比，LTCC AiP設(shè)備的優(yōu)勢是具有卓越的環(huán)境耐受性和放熱特性，且設(shè)計的自由度高。另外，還可輕松應(yīng)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(nèi)置于套件后的特性評估和調(diào)整支持等服務(wù)。