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5G毫米波天线设计的权衡取舍


【导读】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6GHz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。


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恩智浦5G毫米波天线演示器


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。


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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。


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天线面板PCB和外壳的视图


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。


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天线面板的横截面,包括材料牌号、层分配、已实现板的尺寸和照片。


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。


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面板演示器套件


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。


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可调节框架保护精密电路并帮助尽量减少天线干扰


感谢为项目作出贡献的整个团队!


本文作者


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。


本文作者


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。



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