隨著 5G 通信技術(shù)的誕生和發(fā)展,，高速電子設(shè)備集成度和時鐘頻率逐漸升高，日漸復(fù)雜的電磁環(huán)境使得電子設(shè)備飽受電磁干擾的影響,，這在 5G 通信天線系統(tǒng)和芯片封裝中表現(xiàn)尤為突出,。如何有效利用電磁信號傳播，同時抑制有害的電磁輻射,，進(jìn)而實現(xiàn)“兼容并畜”,，成為通信技術(shù)發(fā)展革新的一項重要挑戰(zhàn)。

天線作為無線通信系統(tǒng)中的核心部件,，其所處的電磁環(huán)境一直備受關(guān)注,。要達(dá)到 5G 通信系統(tǒng)的高速率、低延時,、高可靠性和高容量等性能目標(biāo),，首先要解決天線系統(tǒng)中的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）問題。一方面,，無論是基站天線系統(tǒng)還是移動終端天線系統(tǒng)都難逃帶外雜散信號的干擾,；另一方面，天線模塊對通信系統(tǒng)中其他模塊產(chǎn)生的同頻,、鄰頻電磁噪聲尤為敏感,，這都大大影響了天線的工作性能。

在傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)中,，聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）濾波器和介質(zhì)濾波器通常用來進(jìn)行系統(tǒng)雜散信號的抑制。但由于介質(zhì)濾波器龐大的體積與系統(tǒng)高集成度,、便攜等設(shè)計思想相悖,，隨著頻率的升高，SAW 濾波器的性能逐漸惡化,，只能應(yīng)用于低頻段通信,。此外，由于體聲波（Bulk Acoustic Wave, BAW）濾波器對倍頻處雜散信號抑制能力不足,，也不能滿足當(dāng)前移動通信的要求,。面對 5G 通信天線系統(tǒng)中電磁兼容這只“攔路虎”，尋找新的解決方案已是迫在眉睫,。

5G 通信系統(tǒng)信號傳輸率較高,，這對芯片系統(tǒng)級封裝設(shè)計，尤其是封裝互連線設(shè)計提出更高要求,，其中電磁兼容問題也變得愈發(fā)嚴(yán)峻,。一方面，由于 5G 通信具有較高的頻段,，芯片封裝的尺寸可以比擬工作波長,，其天線輻射 / 接受效應(yīng)變得明顯,；另一方面，由于芯片封裝尺寸的減小,，芯片封裝上各模塊所占空間越來越擁擠,，不可避免地會出現(xiàn)電磁兼容問題。

芯片是 5G 通信系統(tǒng)的“大腦”,，芯片中的集成電路通常是引起電磁兼容問題的主要源頭,，但同時，集成電路也最容易受到電磁干擾,。由于大多數(shù)芯片在批量流片前都會進(jìn)行相關(guān)測試,，其內(nèi)部問題已經(jīng)徹底解決，所以芯片系統(tǒng)中絕大部分電磁兼容問題的研究都集中在芯片的外部耦合,。電磁噪聲進(jìn)出集成電路的主要途徑有電場耦合,、磁場耦合、傳導(dǎo)耦合和輻射場耦合等,。因此,，面對 5G 通信芯片系統(tǒng)中電磁干擾的問題，需要清楚地了解電磁干擾噪聲耦合進(jìn)或耦合出芯片的具體途徑,，從電磁干擾源頭,、耦合路徑、保護(hù)易感設(shè)備 3 個方面尋找解決方案,。

為解決 5G 通信系統(tǒng)電磁波傳播面臨的電磁干擾問題,，浙江大學(xué)課題團(tuán)隊開展了電磁輻射抑制研究，提出了面向 5G 通信天線系統(tǒng)和 5G 通信芯片封裝的電磁兼容解決方案,。

5G 通信天線系統(tǒng)中電磁兼容解決方案
傳統(tǒng)天線罩往往只是采用介質(zhì)材料來保護(hù)天線以及整個通信系統(tǒng)的外殼免受環(huán)境影響,。面對天線系統(tǒng)中日益加劇的電磁兼容問題，能不能在傳統(tǒng)的天線罩基礎(chǔ)上引入新的設(shè)計理念,，通過有電磁特性的天線罩設(shè)計來屏蔽電磁干擾,？近年來，對電磁波進(jìn)行調(diào)控的人工電磁超表面研究取得了眾多突破,，使得兼具結(jié)構(gòu)韌性和電磁特性的高性能天線罩設(shè)計成為可能,。作為一種典型的人工電磁超表面，頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）技術(shù)具有剖面低,、成本廉價和加工工藝成熟等諸多優(yōu)點,，在微波器件的電磁屏蔽、雷達(dá)隱身和天線反射體等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。

大量專家學(xué)者對頻率選擇表面進(jìn)行了深入研究,，由簡單的單階諧振結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多階寬帶寬、可調(diào)功能實現(xiàn)，再到工作帶邊沿陡降性研究,，取得了一系列技術(shù)突破,。但是，眾多的研究都是基于電磁波垂直入射的情況進(jìn)行的,。隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展,，實際應(yīng)用需要基于 FSS 設(shè)計的功能器件對入射角度不敏感，才能保證所屬系統(tǒng)的高性能工作,。然而 FSS 結(jié)構(gòu)往往對入射角度很敏感,，隨著入射角度的改變，F(xiàn)SS 的工作頻率將會發(fā)生偏移,，造成系統(tǒng)性能的下降,，使得提高頻率選擇表面的角度性能成為一大挑戰(zhàn)。此外,，隨著芯片封裝等功能器件向高集成度方向的發(fā)展,，傳統(tǒng)基于波動物理諧振的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)尺寸需要同工作頻率波長相比擬，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大,，不利于工程實現(xiàn),，加之系統(tǒng)小型化需求日趨強烈，這使得可應(yīng)用于移動終端等狹小空間內(nèi)的超小型化超薄 FSS 結(jié)構(gòu)設(shè)計成為另一大挑戰(zhàn),。因此,，設(shè)計出一種對入射電磁波全角不敏感的超小型化、超薄 FSS 結(jié)構(gòu),，對于新一代移動通信技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要,。

針對 5G 通信天線系統(tǒng)中信號入射角度超過 60 度就不穩(wěn)定的科學(xué)難題，課題團(tuán)隊提出一種基于全新的強電磁耦合頻率選擇表面（Strong Coupled Frequency Selective Surface, SC-FSS）理念的全角,、全極化不敏感的高性能天線罩,，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該結(jié)構(gòu)由貼附于一層超薄介質(zhì)上下表面的兩金屬層結(jié)構(gòu)組成,。該 SC-FSS 概念依托于電路物理學(xué)理論，突破了傳統(tǒng)基于波動物理學(xué)的 FSS 角度不穩(wěn)定的瓶頸,，彌補了過去十年間角度穩(wěn)定研究唯小型化理論的不足,。

課題團(tuán)隊對該天線罩模型進(jìn)行了加工，通過自由空間測試方法,，在微波暗室對該模型進(jìn)行了測試,，其不同入射角度下的傳輸響應(yīng)如圖 2 所示。在 2 千兆赫處形成通帶,，可以使得天線工作信號以很低的損耗通過天線罩,，而對 3.4 千兆赫附近的信號則具有很強的抑制作用，實現(xiàn)對雜散信號的屏蔽,。同時可以發(fā)現(xiàn)在 0～84 度（最理想為 90 度）的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)傳輸零點和傳輸極點對入射角度,、極化角度的不敏感,。

5G 通信芯片封裝中電磁兼容解決方案
在 5G 通信芯片系統(tǒng)中，封裝蓋 / 散熱器與芯片封裝基板之間很容易形成諧振腔,。而為了給電路系統(tǒng)中的線纜,、元器件提供足夠的空間，通常在封裝蓋 / 散熱器與芯片封裝基板之間留出一些縫隙,，這使得電磁輻射可能通過這些縫隙泄露出去,，從而導(dǎo)致輻射超標(biāo)。常用的解決辦法是破壞原有的諧振條件,，或者吸收損耗這些噪聲能量,，因此電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap, EBG）結(jié)構(gòu)和吸收體結(jié)構(gòu)是合適的選擇。在芯片系統(tǒng)中,，如何實現(xiàn) EBG 結(jié)構(gòu)和吸收體結(jié)構(gòu)的小型化,、提高它們的吸波性能是亟待解決的問題。

EBG 結(jié)構(gòu)在設(shè)計上主要依據(jù)縫隙波導(dǎo)理論,，除自身具有較寬的電磁阻帶和較高的抑制性能以外,，EBG 結(jié)構(gòu)還擁有結(jié)構(gòu)簡單、成本造價低,、加工工藝成熟以及便于系統(tǒng)集成等優(yōu)點,，因此近年來得到廣泛關(guān)注，并被用于微波,、毫米波電路系統(tǒng)的設(shè)計中,。

吸收體結(jié)構(gòu)在設(shè)計上主要依托 S 屏（Salisbury Screen）理論。對于吸收結(jié)構(gòu)的小型化而言,，可以將超表面和吸收體結(jié)構(gòu)相結(jié)合,，使得吸收體的尺寸進(jìn)一步縮小?；诔砻娴奈阵w結(jié)構(gòu)具有輻射抑制性能高,、尺寸小、成本低廉以及加工工藝成熟等諸多優(yōu)點,，在電磁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。

針對 5G 通信芯片系統(tǒng)中的電磁干擾問題，課題團(tuán)隊提出基于互補開口環(huán)諧振器和交指電容的新型 EBG 結(jié)構(gòu)以及基于超表面的吸收體結(jié)構(gòu),，分別如圖 3 和圖 4 所示,。它們的厚度可以做到小于 1 毫米，在 10 千兆赫處的吸收性能均可達(dá)到 5 分貝以上,，這為其在芯片系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能,。

課題團(tuán)隊提出基于 SC-FSS 理論概念設(shè)計的全角、全極化不敏感高性能天線罩，以及基于互補開口諧振環(huán)和交指電容的新型 EBG 結(jié)構(gòu),、基于超表面的吸收體結(jié)構(gòu),，為解決 5G 通信天線系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)中的電磁兼容問題開辟了新道路，相關(guān)成果獲得學(xué)術(shù)界與工程界的高度認(rèn)可,，在眾多 5G 通信企業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

對于天線系統(tǒng)中多種通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兼并,，課題團(tuán)隊下一步將進(jìn)行多頻帶全角,、全極化不敏感的高性能天線罩探索研究。與此同時,，當(dāng)前反射型天線罩屏蔽方案存在對天線系統(tǒng)進(jìn)行二次輻射干擾的可能,，因此超低通帶插入損耗的吸收型天線罩將是高性能天線罩的發(fā)展新方向。另外,，隨著集成電路特征尺寸不斷縮小并進(jìn)入納米尺度,，傳統(tǒng)的摩爾定律受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在此情況下,，先進(jìn)的封裝形式和集成技術(shù)作為延續(xù)乃至超越摩爾定律的重要技術(shù)路線必然是未來研究的重中之重,。未來，課題團(tuán)隊將繼續(xù)聚焦通信技術(shù)發(fā)展的前沿課題,，針對電磁輻射防護(hù)與電磁兼容方面的關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān),，提出滿足實際應(yīng)用的電磁輻射抑制解決方案，最終徹底解決 5G 以及未來新一代通信系統(tǒng)中的電磁干擾難題,。