【導讀】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
，能夠支持大量的設備

，但此範圍內的信號與大多數移動網絡開發人員所使用的6GHz及以下頻段的信號截然不同。

為5G毫米波構建有源相控陣天線需要非常緊湊的設計。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射/接jie收shou通tong道dao。公gong司si網wang絡luo也ye包bao括kuo在zai內nei，整zheng個ge設she計ji必bi須xu在zai小xiao麵mian積ji區qu域yu內nei提ti供gong高gao熱re流liu。即ji便bian對dui於yu經jing驗yan豐feng富fu的de工gong程cheng師shi來lai說shuo，創chuang建jian滿man足zu所suo有you要yao求qiu的de層ceng疊die式shiPCB也是一個挑戰。

運行參數的微小變化可能導致天線無法按預期工作，需要重新設計、重新製造和再次測試各組件、子係統甚至整個係統，導致開發周期更長、開發成本更高。此外，還需要考慮物理條件
，因為生產、裝(zhuang)配(pei)和(he)日(ri)常(chang)操(cao)作(zuo)條(tiao)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)精(jing)密(mi)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)承(cheng)受(shou)過(guo)高(gao)的(de)壓(ya)力(li)，以(yi)及(ji)具(ju)有(you)破(po)壞(huai)性(xing)的(de)熱(re)量(liang)和(he)溫(wen)度(du)波(bo)動(dong)。除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)外(wai)，大(da)多(duo)數(shu)設(she)計(ji)團(tuan)隊(dui)都(dou)在(zai)努(nu)力(li)滿(man)足(zu)緊(jin)迫(po)的(de)期(qi)限(xian)和(he)嚴(yan)格(ge)的(de)交(jiao)付(fu)日(ri)期(qi)，對(dui)於(yu)5G毫米波技術的初學者來說
，學習曲線特別陡峭。

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

作zuo為wei一yi家jia半ban導dao體ti公gong司si
，我wo們men通tong過guo這zhe類lei項xiang目mu製zhi作zuo係xi統tong級ji設she計ji，為wei客ke戶hu提ti供gong幫bang助zhu。在zai係xi統tong層ceng麵mian進jin行xing設she計ji，我wo們men獲huo得de了le內nei部bu專zhuan業ye知zhi識shi，可ke指zhi導dao客ke戶hu解jie決jue各ge種zhong設she計ji難nan題ti，更geng重zhong要yao的de是shi，我wo們men創chuang建jian量liang產chan型xing解jie決jue方fang案an，使shi我wo們men的de客ke戶hu能neng夠gou跳tiao過guo學xue習xi曲qu線xian中zhong的de大da部bu分fen階jie段duan。換huan言yan之zhi，我wo們men經jing曆li了le整zheng個ge開kai發fa流liu程cheng，進jin行xing權quan衡heng、評估各種選擇並改進設計，而我們的客戶不必重複這些工作。

我們的故事

下圖展示了恩智浦團隊所創建產品的部件分解圖。

恩智浦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
、設計天線的重要合作夥伴公司完成了天線設計、校準，以及性能測試
，他們充分發揮了各自在波束圖驗證
、熱力學
、AC/DC和DC/DC轉換器設計

、LVDS控製、FPGA設計和PCB製造等領域的專業知識。

核心組件

大多數5G毫米波天線設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
、質量更高和更可靠。多個波束賦形IC連lian接jie和he排pai列lie成cheng規gui則ze結jie構gou，稱cheng為wei相xiang控kong陣zhen列lie。相xiang控kong陣zhen列lie將jiang信xin號hao進jin行xing組zu合he，產chan生sheng單dan個ge天tian線xian無wu法fa實shi現xian的de輻fu射she模mo式shi。波bo束shu賦fu形xing用yong於yu改gai變bian每mei個ge天tian線xian單dan元yuan的de信xin號hao的de幅fu度du和he相xiang位wei，便bian於yu容rong易yi聚ju焦jiao和he操cao縱zong。

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好的波束賦形器IC有助於優化每個無線元件的整體性能、功耗和成本

，因此在考慮設計選項時應予以優先考慮。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。

選擇了波束賦形器後，下一步構建天線麵板PCB和外殼。事實證明這個步驟特別重要
，也特別棘手。

天線麵板PCB和外殼的視圖

防止翹曲

我們麵臨的一個最大挑戰是需要在天線翹曲與熱管理之間進行權衡。我們需要獲得合適的電磁（EM）性能，創建可在目標頻率下可靠工作的天線，同時確保穩定的熱環境
，從而保護電子器件不出現故障並防止天線PCB翹曲。

我們的目標是翹曲度低於0.22%，但事實上我們超越了這個目標，測量結果在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幹重要的設計決策。完成天線單元設計後
，我們將這種結構映射到我們對天線
、控製、企業網絡、電源線和地麵結構的要求中。圍繞中央內核對稱地創建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力。

如圖所示，PCB的下6層創建天線

，上6層管理饋電、電源以及模擬和數字分布。

天線麵板的橫截麵，包括材料牌號、層分配
、已實現板的尺寸和照片。

PCB層疊在z軸上對稱。由於銅會幹擾天線元件的運行

，因此我們將係統的所有銅分布在PCB的側邊，遠離天線陣列。

為了進一步提高天線的可靠性，並且使PCB對由於熱循環引起的故障具有更強的恢複能力，我們將層疊過孔的數量限製為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等PCB材料的不同熱膨脹係數帶來的損傷效應。製造階段會出現高溫，尤其是進行焊接時，這種方法即使在焊接後也能減少翹曲。

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於1g，防止焊球在天線工作壽命期間的蠕變導致短路。

為了增加對PCB的保護，並保持它的形狀，我們將PCB放置在可調節的框架中。該可調式框架一側采用尼龍製造
，目的是減少天線幹擾，另一側采用金屬製造
，這樣能夠安裝PCB
，而不會增加施加在精密電路上的物理應力。

麵板演示器套件

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麵材料（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，TIMbeizhengtidiyongyusanreqiguizhongjieceng，gaisanreqiguizhongjiecengshiyanshiqijixieshejidejichu。yanshiqidewuliwaikekechaixie，bianyuguanlineibulianjieqi。zaikongjianshouxiandexiaokongjiantianxianceliangshizhonggongzuoshi

，zheyidianfeichangyouyoushi。

該(gai)毫(hao)米(mi)波(bo)拆(chai)分(fen)網(wang)絡(luo)被(bei)作(zuo)為(wei)企(qi)業(ye)分(fen)束(shu)器(qi)。為(wei)了(le)改(gai)善(shan)分(fen)束(shu)器(qi)和(he)天(tian)線(xian)饋(kui)源(yuan)之(zhi)間(jian)的(de)隔(ge)離(li)，我(wo)們(men)把(ba)傳(chuan)輸(shu)線(xian)放(fang)在(zai)內(nei)層(ceng)上(shang)。結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，在(zai)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)增(zeng)益(yi)為(wei)30dB的情況下，仍具有無振蕩特性。我們還設計了傳輸線與TIM和散熱器配合使用，以滿足設計的散熱要求。天線的掃描範圍為±45°。

最後

，我們的Vcc分布決策簡化了設計，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轉換器使用單個電源
，並減少天線測量室所需的布線數量。所有電源線的當前路徑都將前轉路徑和返回路徑都置於指定位置。

準備運行

我們利用團隊的綜合專業知識
，並借助恩智浦在天線陣列和批量生產方麵的長期成功經驗
，創建了一款獨立解決方案
，供任何構建5G毫米波天線陣列的人員使用。

麵板演示器隨附在套件中，該套件包含分析天線參數所需的一切
，包括陣列中每個天線的溫度。該演示器經過天線模式完全校準、波束圖驗證並遵循批量製造準則
，因此設計團隊可快速從原型製作進入大規模製造階段，係統采用嚴格的走線寬度、盲過孔和層厚度等設計規則。

與Matlab配套使用的單獨的評估工具包隨附了一個AC/DC轉換器和.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連接轉換成天線陣列使用的LVDS主信號和控製信號。

可調節框架保護精密電路並幫助盡量減少天線幹擾

感謝為項目作出貢獻的整個團隊！

本文作者

Marcel Geurts是首席係統架構師兼客戶項目經理。他主要負責恩智浦無線電產品的毫米波
、預驅動器和RxFEM產品組合，用於客戶支持和合作項目。他負責26GHz天線麵板演示器的設計
、驗證，並支持客戶采納。

本文作者

Johan Janssen是首席應用工程師。他主要負責恩智浦針對基礎設施的RF產品
，並支持客戶在其最終係統中采納LNA、ABF和RXFEM產品。他負責26GHz天線麵板演示器的設計
、驗證，並支持客戶采納。

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