5G毫米波天线设计需要权衡取舍

24GHz以上的5G新空口FR2（NR FR2）频谱被称为毫米波（mmWave），提供极高的吞吐速度，能够支持大量的设备，但此范围内的信号与大多数移动网络开发人员所使用的6 GHz及以下频段的信号截然不同。

为5G毫米波构建有源相控阵天线需要非常紧凑的设计。天线单元需要以半波长（即5mm）的间距放置。同时，每个天线单元需要有一个连接到两个极化馈电器的发射/接收通道。公司网络也包括在内，整个设计必须在小面积区域内提供高热流。即便对于经验丰富的工程师来说，创建满足所有要求的层叠式PCB也是一个挑战。

运行参数的微小变化可能导致天线无法按预期工作，需要重新设计、重新制造和再次测试各组件、子系统甚至整个系统，导致开发周期更长、开发成本更高。此外，还需要考虑物理条件，因为生产、装配和日常操作条件可能会使精密电子元件承受过高的压力，以及具有破坏性的热量和温度波动。除了这些挑战之外，大多数设计团队都在努力满足紧迫的期限和严格的交付日期，对于5G毫米波技术的初学者来说，学习曲线特别陡峭。

我们的团队刚刚完成了64单元天线演示器的开发，这个演示器在5G毫米波的24GHz到28GHz频率上工作，整个团队在开发过程中亲历了上述艰辛。

作为一家半导体公司，我们通过这类项目制作系统级设计，为客户提供帮助。在系统层面进行设计，我们获得了内部专业知识，可指导客户解决各种设计难题，更重要的是，我们创建量产型解决方案，使我们的客户能够跳过学习曲线中的大部分阶段。换言之，我们经历了整个开发流程，进行权衡、评估各种选择并改进设计，而我们的客户不必重复这些工作。

我们的故事

下图展示了恩智浦团队所创建产品的部件分解图。

20多位专题专家团队在恩智浦及生产、设计天线的重要合作伙伴公司完成了天线设计、校准，以及性能测试，他们充分发挥了各自在波束图验证、热力学、AC/DC和DC/DC转换器设计、LVDS控制、FPGA设计和PCB制造等领域的专业知识。

核心组件

大多数5G毫米波天线设计的核心是波束赋形IC，它把高频信号聚焦到特定的接收机，使连接更直接、更快速、质量更高和更可靠。多个波束赋形IC连接和排列成规则结构，称为相控阵列。相控阵列将信号进行组合，产生单个天线无法实现的辐射模式。波束赋形用于改变每个天线单元的信号的幅度和相位，便于容易聚焦和操纵。

好的波束赋形器IC有助于优化每个无线元件的整体性能、功耗和成本，因此在考虑设计选项时应予以优先考虑。在本例中，我们使用恩智浦MMW9014波束赋形IC，这是一款高度集成的5G 4通道双极化模拟波束赋形IC，采用非常小巧的FO-WLPBGA封装（6.5 mm x 6.1 mm x 0.56 mm），有182个凸点。

选择了波束赋形器后，下一步构建天线面板PCB和外壳。事实证明这个步骤特别重要，也特别棘手。

防止翘曲

我们面临的一个最大挑战是需要在天线翘曲与热管理之间进行权衡。我们需要获得合适的电磁（EM）性能，创建可在目标频率下可靠工作的天线，同时确保稳定的热环境，从而保护电子器件不出现故障并防止天线PCB翘曲。

我们的目标是翘曲度低于0.22%，但事实上我们超越了这个目标，测量结果在0.132%到0.175%之间。能够获得非常低的翘曲度是因为做出了若干重要的设计决策。完成天线单元设计后，我们将这种结构映射到我们对天线、控制、企业网络、电源线和地面结构的要求中。围绕中央内核对称地创建12层PCB。任何翘曲都是源自PCB的金属和介电元件的不同热性能而造成的累积应力。

如图所示，PCB的下6层创建天线，上6层管理馈电、电源以及模拟和数字分布。

PCB层叠在z轴上对称。由于铜会干扰天线元件的运行，因此我们将系统的所有铜分布在PCB的侧边，远离天线阵列。

为了进一步提高天线的可靠性，并且使PCB对由于热循环引起的故障具有更强的恢复能力，我们将层叠过孔的数量限制为3个，如果需要更多的过孔，则使用交错。交错过孔可抵消铜和电介质等PCB材料的不同热膨胀系数带来的损伤效应。制造阶段会出现高温，尤其是进行焊接时，这种方法即使在焊接后也能减少翘曲。

为了防止散热器损坏小巧的MMW9014K封装，我们将夹持力保持在每球小于1g，防止焊球在天线工作寿命期间的蠕变导致短路。

为了增加对PCB的保护，并保持它的形状，我们将PCB放置在可调节的框架中。该可调式框架一侧采用尼龙制造，目的是减少天线干扰，另一侧采用金属制造，这样能够安装PCB，而不会增加施加在精密电路上的物理应力。

保持凉爽

为了保证IC的寿命，需要管理热流。这是尽量减少翘曲的另一个手段，因为这意味着可以使用非常薄的热界面材料（TIM）。TIM通常是热链中热阻最高的项目，因此目标是使其尽可能薄。为了简化装配，TIM被整体地用于散热器硅中介层，该散热器硅中介层是演示器机械设计的基础。演示器的物理外壳可拆卸，便于管理内部连接器。在空间受限的小空间天线测量室中工作时，这一点非常有优势。

该毫米波拆分网络被作为企业分束器。为了改善分束器和天线馈源之间的隔离，我们把传输线放在内层上。结果表明，在波束赋形增益为30dB的情况下，仍具有无振荡特性。我们还设计了传输线与TIM和散热器配合使用，以满足设计的散热要求。天线的扫描范围为±45°。

最后，我们的Vcc分布决策简化了设计，提高了效率。我们使用19V电源生成所需的2.8V工作电压，可通过标准AC/DC转换器使用单个电源，并减少天线测量室所需的布线数量。所有电源线的当前路径都将前转路径和返回路径都置于指定位置。

准备运行

我们利用团队的综合专业知识，并借助恩智浦在天线阵列和批量生产方面的长期成功经验，创建了一款独立解决方案，供任何构建5G毫米波天线阵列的人员使用。

面板演示器随附在套件中，该套件包含分析天线参数所需的一切，包括阵列中每个天线的温度。该演示器经过天线模式完全校准、波束图验证并遵循批量制造准则，因此设计团队可快速从原型制作进入大规模制造阶段，系统采用严格的走线宽度、盲过孔和层厚度等设计规则。

与Matlab配套使用的单独的评估工具包随附了一个AC/DC转换器和.dll格式的示例代码，提供了额外的分析选项。该演示器还具有FPGA接口板，可将PC的USB连接转换成天线阵列使用的LVDS主信号和控制信号。

感谢为项目作出贡献的整个团队：

• 恩智浦：
  • Mustafa Acar
  • Konstantinos Giannakidis
  • Harm Voss
  • Nick Spence
  • Arthur van de Kerkhof
  • Ashutosh Dwivedi
  • Dick van de Broeke
  • Evert van Capelleveen
  • Jan Willem Bergman
  • Jeroen Zaal
  • Arjan van den Berg
  • John Janssen
  • Rajesh Mandamparambil
  • Ramon Groot Wesseldijk
  • Paul Mattheijssen
• TNO
  • Roland Bolt
  • Erwin Suijker
  • Stefania Monni
• Philips
  • Yizhe Yin
  • Arthur van Es
  • Ruud Olieslagers
  • Nico van Dijk
  • Peter Snoeijen
  • Randy Kesselmans
  • Bas Driessen
  • Erik van Weert
• LV Electronics
  • Carlos Verdonck
• TU/e & AntenneX
  • Teun van den Biggelaar
  • Roel Budé

作者

Marcel Geurts

Marcel Geurts是首席系统架构师兼客户项目经理。他主要负责恩智浦无线电产品的毫米波、预驱动器和RxFEM产品组合，用于客户支持和合作项目。他负责26GHz天线面板演示器的设计、验证，并支持客户采纳。

Johan Janssen

Johan Janssen是首席应用工程师。他主要负责恩智浦针对基础设施的RF产品，并支持客户在其最终系统中采纳LNA、ABF和RXFEM产品。他负责26GHz天线面板演示器的设计、验证，并支持客户采纳。