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)的信號與大多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員所使用的6 GHz及以下頻段的信號截然不同。

　　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,。天線單元需要以半波長（即5mm）的間距放置。同時,，每個天線單元需要有一個連接到兩個極化饋電器的發(fā)射/接收通道,。公司網(wǎng)絡(luò)也包括在內(nèi)，整個設(shè)計必須在小面積區(qū)域內(nèi)提供高熱流,。即便對于經(jīng)驗豐富的工程師來說,，創(chuàng)建滿足所有要求的層疊式PCB也是一個挑戰(zhàn)。

　　運行參數(shù)的微小變化可能導(dǎo)致天線無法按預(yù)期工作,，需要重新設(shè)計,、重新制造和再次測試各組件、子系統(tǒng)甚至整個系統(tǒng),，導(dǎo)致開發(fā)周期更長,、開發(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使精密電子元件承受過高的壓力,，以及具有破壞性的熱量和溫度波動,。除了這些挑戰(zhàn)之外，大多數(shù)設(shè)計團隊都在努力滿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)者來說,，學(xué)習(xí)曲線特別陡峭。

　　我們的團隊剛剛完成了64單元天線演示器的開發(fā),，這個演示器在5G毫米波的24GHz到28GHz頻率上工作,，整個團隊在開發(fā)過程中親歷了上述艱辛。

　　作為一家半導(dǎo)體公司,，我們通過這類項目制作系統(tǒng)級設(shè)計,，為客戶提供幫助,。在系統(tǒng)層面進行設(shè)計，我們獲得了內(nèi)部專業(yè)知識,，可指導(dǎo)客戶解決各種設(shè)計難題,，更重要的是，我們創(chuàng)建量產(chǎn)型解決方案,，使我們的客戶能夠跳過學(xué)習(xí)曲線中的大部分階段,。換言之，我們經(jīng)歷了整個開發(fā)流程,，進行權(quán)衡,、評估各種選擇并改進設(shè)計，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隊所創(chuàng)建產(chǎn)品的部件分解圖,。

　　5G毫米波天線演示器

　　20多位專題專家團隊在恩智浦及生產(chǎn)、設(shè)計天線的重要合作伙伴公司完成了天線設(shè)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(zhuǎn)換器設(shè)計、LVDS控制,、FPGA設(shè)計和PCB制造等領(lǐng)域的專業(yè)知識,。

　　核心組件

　　汽大多數(shù)5G毫米波天線設(shè)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。相控陣列將信號進行組合,，產(chǎn)生單個天線無法實現(xiàn)的輻射模式,。波束賦形用于改變每個天線單元的信號的幅度和相位，便于容易聚焦和操縱,。

　　恩智浦64單元天線演示器設(shè)計幫助開發(fā)人員節(jié)省時間和精力,。

　　好的波束賦形器IC有助于優(yōu)化每個無線元件的整體性能、功耗和成本,，因此在考慮設(shè)計選項時應(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個凸點。

　　選擇了波束賦形器后,，下一步構(gòu)建天線面板PCB和外殼,。事實證明這個步驟特別重要，也特別棘手,。

　　天線面板PCB和外殼的視圖

　　防止翹曲

　　我們面臨的一個最大挑戰(zhàn)是需要在天線翹曲與熱管理之間進行權(quán)衡,。我們需要獲得合適的電磁（EM）性能，創(chuàng)建可在目標頻率下可靠工作的天線,，同時確保穩(wěn)定的熱環(huán)境,，從而保護電子器件不出現(xiàn)故障并防止天線PCB翹曲。

　　我們的目標是翹曲度低于0.22%,，但事實上我們超越了這個目標,，測量結(jié)果在0.132%到0.175%之間。能夠獲得非常低的翹曲度是因為做出了若干重要的設(shè)計決策,。完成天線單元設(shè)計后,，我們將這種結(jié)構(gòu)映射到我們對天線、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、層分配,、已實現(xiàn)板的尺寸和照片

　　PCB層疊在z軸上對稱,。由于銅會干擾天線元件的運行，因此我們將系統(tǒng)的所有銅分布在PCB的側(cè)邊,，遠離天線陣列,。

　　為了進一步提高天線的可靠性，并且使PCB對由于熱循環(huán)引起的故障具有更強的恢復(fù)能力,，我們將層疊過孔的數(shù)量限制為3個,，如果需要更多的過孔，則使用交錯,。交錯過孔可抵消銅和電介質(zhì)等PCB材料的不同熱膨脹系數(shù)帶來的損傷效應(yīng),。制造階段會出現(xiàn)高溫,，尤其是進行焊接時，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PCB的保護,，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手段，因為這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目,，因此目標是使其盡可能薄。為了簡化裝配,，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(shè)計的基礎(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量室中工作時，這一點非常有優(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，仍具有無振蕩特性,。我們還設(shè)計了傳輸線與TIM和散熱器配合使用,，以滿足設(shè)計的散熱要求。天線的掃描范圍為±45°,。

　　最后,，我們的Vcc分布決策簡化了設(shè)計，提高了效率。我們使用19V電源生成所需的2.8V工作電壓,，可通過標準AC/DC轉(zhuǎn)換器使用單個電源,，并減少天線測量室所需的布線數(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,。

　　準備運行

　　我們利用團隊的綜合專業(yè)知識,，并借助恩智浦在天線陣列和批量生產(chǎn)方面的長期成功經(jīng)驗，創(chuàng)建了一款獨立解決方案,，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,，包括陣列中每個天線的溫度,。該演示器經(jīng)過天線模式完全校準、波束圖驗證并遵循批量制造準則,，因此設(shè)計團隊可快速從原型制作進入大規(guī)模制造階段,，系統(tǒng)采用嚴格的走線寬度、盲過孔和層厚度等設(shè)計規(guī)則,。

　　與Matlab配套使用的單獨的評估工具包隨附了一個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,。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主信號和控制信號。

　　可調(diào)節(jié)框架保護精密電路并幫助盡量減少天線干擾

　　感謝為項目作出貢獻的整個團隊：

• 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

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