5G和天線模塊的演變

3GPP發(fā)布的最新5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正式確定并改進(jìn)了許多功能，這些功能增加了5G硬件的實(shí)用性和復(fù)雜性。移動(dòng)寬帶增強(qiáng)（eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（URLLC）、海量機(jī)器類通信/大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC/mIoT）以及增強(qiáng)的確定性都為5G無線通信帶來了獨(dú)特的方面，將高度專業(yè)化的優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)的功能融合到具有全球影響力的單一標(biāo)準(zhǔn)中。

5G的另一個(gè)新穎之處在于，隨著頻率選擇的開放和蜂窩通信技術(shù)在這些頻率上的應(yīng)用，5G將會(huì)納入毫米波（mmWave）頻譜的頻段，最高可能會(huì)達(dá)到90GHz。

5G的所有這些新特性和新功能改變了蜂窩連接范式，使其成為移動(dòng)手機(jī)的語音、文本和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。這使得5G成為一種更加無處不在的無線通信和連接解決方案，適用于各種醫(yī)療、工業(yè)、政府、軍事、汽車、航空航天、安全、大數(shù)據(jù)和其他新興應(yīng)用。

5G天線模塊

這些新的5G用例和功能改變了5G天線模塊的格局，使其從智能手機(jī)和平板電腦中使用的專用、通常是定制設(shè)計(jì)和開發(fā)的便攜式移動(dòng)設(shè)備硬件，轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器平臺(tái)、自主移動(dòng)機(jī)器人（AMR）、工業(yè)控制設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）頭戴設(shè)備/系統(tǒng)以及汽車平臺(tái)中的物聯(lián)網(wǎng)模塊。

以3GPP的最新版本（release 17）為例，64T64R具有16層下行鏈路（DL）和8層上行鏈路（UL）。它十分有利于256個(gè)天線元件或16×16設(shè)計(jì)。相比之下，4G的最大MIMO能力為8T8R DL和4T4R UL。因此，隨著最新5G版本的發(fā)布，天線元件和MIMO層的總數(shù)急劇增加。

這導(dǎo)致天線模塊、射頻前端（RFFE）模塊、MIMO/波束成形信號(hào)處理和布線復(fù)雜性等方面的設(shè)計(jì)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。這種復(fù)雜程度和增加的布線密度超出了傳統(tǒng)PCB技術(shù)的能力范圍。

一段時(shí)間以來，衛(wèi)星通信（Satcom）領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的技術(shù)趨勢(shì)。衛(wèi)星通信應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的常見解決方案是采用高度復(fù)雜的定制面板，這些面板由電路板堆疊而成，通常帶有嵌入式組件?，F(xiàn)在，人們正在為從宏基站到小基站的5G基站單元探索板中天線或板上天線技術(shù)。

然而，該解決方案往往涉及到專門的工藝，導(dǎo)致產(chǎn)量相對(duì)較低，不適合大量生產(chǎn)5G天線模塊，以滿足對(duì)5G連接解決方案日益增長(zhǎng)的需求。此外，與典型的物聯(lián)網(wǎng)天線模塊尺寸相比，這些面板解決方案較大，而典型的物聯(lián)網(wǎng)天線模塊的邊長(zhǎng)大多只有幾厘米。

封裝天線

5G天線模塊需要新的解決方案來滿足新5G應(yīng)用的需求。因此，人們對(duì)封裝內(nèi)天線（AiP）、封裝上天線（AoP）、片上天線（AoC）以及其他各種集成5G天線模塊進(jìn)行了芯片和模塊封裝技術(shù)的研究。

為實(shí)現(xiàn)制造結(jié)構(gòu)緊湊、成本相對(duì)較低、易于大規(guī)模生產(chǎn)且產(chǎn)量充足的5G天線模塊的目標(biāo)，人們正在探索多種方法。其中一些方法包括將天線模塊作為小芯片放置在系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）中，還有一些方法甚至將天線作為片上系統(tǒng)（SoC）集成到IC本身中。

例如，AoP技術(shù)與SiP封裝頂部的天線模塊集成，可能是作為外殼、屏蔽的一部分，或者作為堆疊在其他小芯片或電路板模塊頂部或是旁邊的附加板。

所有這些工作的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是單個(gè)天線元件和整個(gè)天線模塊的性能。天線性能取決于細(xì)微的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及與刺激天線元件的電信號(hào)的波長(zhǎng)成比例的導(dǎo)體的相對(duì)尺寸。一般來說，天線越大，電氣長(zhǎng)度增加，增益越高。

有一些方法可以通過諧振元件、分形設(shè)計(jì)技術(shù)和其他技術(shù)人為地增加電氣長(zhǎng)度。其中許多方法可以產(chǎn)生良好的窄帶天線性能，但也可以進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的寬帶性能。然而，這些方法都極大地增加了天線元件的復(fù)雜性，從而增加了成本、開發(fā)時(shí)間，并降低了可能的產(chǎn)量。

許多現(xiàn)代陣列天線都是由貼片天線組成的，這些天線要么是轉(zhuǎn)換式的，要么是相控陣的某些變體。因此，所面臨的挑戰(zhàn)是如何在緊湊的IC或SiP上使用小型貼片天線陣列實(shí)現(xiàn)高水平的天線效率和增益。答案很簡(jiǎn)單，開發(fā)AiP、AoP和AoC的許多努力都是為了毫米波頻率的操作，在這種頻率下，相對(duì)波長(zhǎng)可在緊湊尺寸中實(shí)現(xiàn)合理的天線效率。

可以使用一組相對(duì)較小的天線元件作為陣列，將天線元件有效地組合成單個(gè)較大的天線。這種方法無法發(fā)揮MIMO的優(yōu)勢(shì)，但與波束成形兼容，并且可以使更緊湊的天線在較低頻率下運(yùn)行。

芯片中的天線

AiP/AoP/AoC方法面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)極小間距和占位面積中的極高密度互連。借助IC技術(shù)，可以通過現(xiàn)有的IC布線功能來處理此問題，但對(duì)天線模塊和RFFE使用不同的半導(dǎo)體可能會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，可能需要2.5D甚至全3D IC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)堆疊或緊密集成各種半導(dǎo)體材料和工藝，從而將射頻和數(shù)字電子產(chǎn)品結(jié)合起來。

目前，有一些相對(duì)成熟的2.5D和3D IC技術(shù)，但這些成熟的技術(shù)的大多數(shù)都用于內(nèi)存、存儲(chǔ)、GPU、CPU和FPGA等純數(shù)字電路。有一些商用產(chǎn)品以這種方式將射頻和數(shù)字電路結(jié)??合在一起，但這些產(chǎn)品仍然是非常專有的，并且沒有廣泛使用。

如果能解決這些設(shè)計(jì)和集成難題，那么5G天線模塊小型化將會(huì)帶來巨大的好處。這包括擁有更緊湊的5G天線模塊，這些模塊可能更高效、成本更低、更容易批量生產(chǎn)，并且可以在高效的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行預(yù)認(rèn)證。

對(duì)于試圖快速開發(fā)5G技術(shù)的企業(yè)來說，簡(jiǎn)化材料清單（（BOM）和零部件采購(gòu)情況極為有利，特別是由于標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求在不斷變化，而且隨著毫米波技術(shù)的日益普及，未來一段時(shí)間內(nèi)很可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。