5G毫米波天線設(shè)計(jì)的權(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(kāi)發(fā)人員所使用的6GHz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(zhǎng)（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(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來(lái)說(shuō)，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(wú)法按預(yù)期工作，需要重新設(shè)計(jì)、重新制造和再次測(cè)試各組件、子系統(tǒng)甚至整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期更長(zhǎng)、開(kāi)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(guò)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(duì)于5G毫米波技術(shù)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，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(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程中親歷了上述艱辛。

作為一家半導(dǎo)體公司，我們通過(guò)這類項(xiàng)目制作系統(tǒng)級(jí)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(guò)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(kāi)發(fā)流程，進(jìn)行權(quán)衡、評(píng)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。

恩智浦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(cè)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

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(wú)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(kāi)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(cè)量技巧，請(qǐng)點(diǎn)擊這里>>

好的波束賦形器IC有助于優(yōu)化每個(gè)無(wú)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)孔的數(shù)量限制為3個(gè)，如果需要更多的過(guò)孔，則使用交錯(cuò)。交錯(cuò)過(guò)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(lái)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(duì)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(jiǎn)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(cè)量室中工作時(shí)，這一點(diǎn)非常有優(yōu)勢(shì)。

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(wú)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(jiǎn)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)AC/DC轉(zhuǎn)換器使用單個(gè)電源，并減少天線測(cè)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(zhǎng)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(guò)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?gòu)脑椭谱鬟M(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(guò)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(píng)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)！

本文作者

Marcel Geurts是首席系統(tǒng)架構(gòu)師兼客戶項(xiàng)目經(jīng)理。他主要負(fù)責(zé)恩智浦無(wú)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。

本文作者

Johan Janssen是首席應(yīng)用工程師。他主要負(fù)責(zé)恩智浦針對(duì)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。