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。

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

汽大多数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。

恩智浦64单元天线演示器设计帮助开发人员节省时间和精力。 观看入门流程并获得校准测量技巧。

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。

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。

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。

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。

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：

Ÿ恩智浦：

üMustafa Acar

üKonstantinos Giannakidis

üHarm Voss

üNick Spence

üArthur van de Kerkhof

üAshutosh Dwivedi

üDick van de Broeke

üEvert van Capelleveen

üJan Willem Bergman

üJeroen Zaal

üArjan van den Berg

üJohn Janssen

üRajesh Mandamparambil

üRamon Groot Wesseldijk

üPaul Mattheijssen

ŸTNO

üRoland Bolt

üErwin Suijker

üStefania Monni

ŸPhilips

üYizhe Yin

üArthur van Es

üRuud Olieslagers

üNico van Dijk

üPeter Snoeijen

üRandy Kesselmans

üBas Driessen

üErik van Weert

ŸLV Electronics

üCarlos Verdonck

ŸTU/e & AntenneX

üTeun van den Biggelaar

üRoel Budé

作者：

Marcel Geurts

恩智浦首席系统架构师兼客户项目经理

Marcel Geurts是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

恩智浦首席应用工程师

Johan Janssen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。