【導讀】24GHz以上的5G新空口FR2（NR FR2）頻譜被稱(chēng)為毫米波（mmWave），提供極高的吞吐速度，能夠支持大量的設備，但此范圍內的信號與大多數移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)人員所使用的6GHz及以下頻段的信號截然不同。
為5G毫米波構建有源相控陣天線(xiàn)需要非常緊湊的設計。天線(xiàn)單元需要以半波長(cháng)（即5mm）的間距放置。同時(shí)，每個(gè)天線(xiàn)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，整個(gè)設計必須在小面積區域內提供高熱流。即便對于經(jīng)驗豐富的工程師來(lái)說(shuō)，創(chuàng )建滿(mǎn)足所有要求的層疊式PCB也是一個(gè)挑戰。
運行參數的微小變化可能導致天線(xiàn)無(wú)法按預期工作，需要重新設計、重新制造和再次測試各組件、子系統甚至整個(gè)系統，導致開(kāi)發(fā)周期更長(cháng)、開(kāi)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(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)。除了這些挑戰之外，大多數設計團隊都在努力滿(mǎn)足緊迫的期限和嚴格的交付日期，對于5G毫米波技術(shù)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，學(xué)習曲線(xiàn)特別陡峭。
我們的團隊剛剛完成了64單元天線(xiàn)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)團隊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中親歷了上述艱辛。
作為一家半導體公司，我們通過(guò)這類(lèi)項目制作系統級設計，為客戶(hù)提供幫助。在系統層面進(jìn)行設計，我們獲得了內部專(zhuān)業(yè)知識，可指導客戶(hù)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(hù)能夠跳過(guò)學(xué)習曲線(xiàn)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)行權衡、評估各種選擇并改進(jìn)設計，而我們的客戶(hù)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(xiàn)演示器
20多位專(zhuān)題專(zhuān)家團隊在恩智浦及生產(chǎn)、設計天線(xiàn)的重要合作伙伴公司完成了天線(xiàn)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(xué)、AC/DC和DC/DC轉換器設計、LVDS控制、FPGA設計和PCB制造等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識。
核心組件
大多數5G毫米波天線(xiàn)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(gè)波束賦形IC連接和排列成規則結構，稱(chēng)為相控陣列。相控陣列將信號進(jìn)行組合，產(chǎn)生單個(gè)天線(xiàn)無(wú)法實(shí)現的輻射模式。波束賦形用于改變每個(gè)天線(xiàn)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(gè)無(wú)線(xiàn)元件的整體性能、功耗和成本，因此在考慮設計選項時(shí)應予以?xún)?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，下一步構建天線(xiàn)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(xiàn)面板PCB和外殼的視圖
防止翹曲
我們面臨的一個(gè)最大挑戰是需要在天線(xiàn)翹曲與熱管理之間進(jìn)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(xiàn)，同時(shí)確保穩定的熱環(huán)境，從而保護電子器件不出現故障并防止天線(xiàn)PCB翹曲。
我們的目標是翹曲度低于0.22%，但事實(shí)上我們超越了這個(gè)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(xiàn)單元設計后，我們將這種結構映射到我們對天線(xiàn)、控制、企業(yè)網(wǎng)絡(luò )、電源線(xiàn)和地面結構的要求中。圍繞中央內核對稱(chēng)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(xiàn)，上6層管理饋電、電源以及模擬和數字分布。
天線(xiàn)面板的橫截面，包括材料牌號、層分配、已實(shí)現板的尺寸和照片。
PCB層疊在z軸上對稱(chēng)。由于銅會(huì )干擾天線(xiàn)元件的運行，因此我們將系統的所有銅分布在PCB的側邊，遠離天線(xiàn)陣列。
為了進(jìn)一步提高天線(xiàn)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(guò)孔的數量限制為3個(gè)，如果需要更多的過(guò)孔，則使用交錯。交錯過(guò)孔可抵消銅和電介質(zhì)等PCB材料的不同熱膨脹系數帶來(lái)的損傷效應。制造階段會(huì )出現高溫，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(xiàn)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放置在可調節的框架中。該可調式框架一側采用尼龍制造，目的是減少天線(xiàn)干擾，另一側采用金屬制造，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，因為這意味著(zhù)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(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械設計的基礎。演示器的物理外殼可拆卸，便于管理內部連接器。在空間受限的小空間天線(xiàn)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(xiàn)饋源之間的隔離，我們把傳輸線(xiàn)放在內層上。結果表明，在波束賦形增益為30dB的情況下，仍具有無(wú)振蕩特性。我們還設計了傳輸線(xiàn)與TIM和散熱器配合使用，以滿(mǎn)足設計的散熱要求。天線(xiàn)的掃描范圍為±45°。
最后，我們的Vcc分布決策簡(jiǎn)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(guò)標準AC/DC轉換器使用單個(gè)電源，并減少天線(xiàn)測量室所需的布線(xiàn)數量。所有電源線(xiàn)的當前路徑都將前轉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(zhuān)業(yè)知識，并借助恩智浦在天線(xiàn)陣列和批量生產(chǎn)方面的長(cháng)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(xiàn)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(xiàn)參數所需的一切，包括陣列中每個(gè)天線(xiàn)的溫度。該演示器經(jīng)過(guò)天線(xiàn)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(jìn)入大規模制造階段，系統采用嚴格的走線(xiàn)寬度、盲過(guò)孔和層厚度等設計規則。
與Matlab配套使用的單獨的評估工具包隨附了一個(gè)AC/DC轉換器和.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連接轉換成天線(xiàn)陣列使用的LVDS主信號和控制信號。
可調節框架保護精密電路并幫助盡量減少天線(xiàn)干擾
感謝為項目作出貢獻的整個(gè)團隊！
本文作者
Marcel Geurts是首席系統架構師兼客戶(hù)項目經(jīng)理。他主要負責恩智浦無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)品的毫米波、預驅動(dòng)器和RxFEM產(chǎn)品組合，用于客戶(hù)支持和合作項目。他負責26GHz天線(xiàn)面板演示器的設計、驗證，并支持客戶(hù)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(hù)在其最終系統中采納LNA、ABF和RXFEM產(chǎn)品。他負責26GHz天線(xiàn)面板演示器的設計、驗證，并支持客戶(hù)采納。
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