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5G和天线模块的演变

2023-11-29 16:22:22 JEAN-JACQUES (JJ) DELISLE 阅读:
新的5G用例和功能改变了5G天线模块的格局,使其从智能手机和平板电脑中使用的专用、通常是定制设计和开发的便携式移动设备硬件,转变为集成到传感器平台、自主移动机器人(AMR)、工业控制设备、增强现实/虚拟现实(AR/VR)头戴设备/系统以及汽车平台中的物联网模块···

3GPP发布的最新5G标准规范正式确定并改进了许多功能,这些功能增加了5G硬件的实用性和复杂性。移动宽带增强(eMBB)、超高可靠低时延通信(URLLC)、海量机器类通信/大规模物联网(mMTC/mIoT)以及增强的确定性都为5G无线通信带来了独特的方面,将高度专业化的优先级系统的功能融合到具有全球影响力的单一标准中。yrMednc

5G的另一个新颖之处在于,随着频率选择的开放和蜂窝通信技术在这些频率上的应用,5G将会纳入毫米波(mmWave)频谱的频段,最高可能会达到90GHz。yrMednc

5G的所有这些新特性和新功能改变了蜂窝连接范式,使其成为移动手机的语音、文本和互联网数据平台。这使得5G成为一种更加无处不在的无线通信和连接解决方案,适用于各种医疗、工业、政府、军事、汽车、航空航天、安全、大数据和其他新兴应用。yrMednc

5G天线模块

这些新的5G用例和功能改变了5G天线模块的格局,使其从智能手机和平板电脑中使用的专用、通常是定制设计和开发的便携式移动设备硬件,转变为集成到传感器平台、自主移动机器人(AMR)、工业控制设备、增强现实/虚拟现实(AR/VR)头戴设备/系统以及汽车平台中的物联网模块。yrMednc

以3GPP的最新版本(release 17)为例,64T64R具有16层下行链路(DL)和8层上行链路(UL)。它十分有利于256个天线元件或16×16设计。相比之下,4G的最大MIMO能力为8T8R DL和4T4R UL。因此,随着最新5G版本的发布,天线元件和MIMO层的总数急剧增加。yrMednc

这导致天线模块、射频前端(RFFE)模块、MIMO/波束成形信号处理和布线复杂性等方面的设计发生重大转变。这种复杂程度和增加的布线密度超出了传统PCB技术的能力范围。yrMednc

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图1 5G天线模块正在从定制设计的硬件转向服务于各种5G应用的物联网模块。来源:DoosanyrMednc

一段时间以来,卫星通信(Satcom)领域也出现了类似的技术趋势。卫星通信应对这些挑战的常见解决方案是采用高度复杂的定制面板,这些面板由电路板堆叠而成,通常带有嵌入式组件。现在,人们正在为从宏基站到小基站的5G基站单元探索板中天线或板上天线技术。yrMednc

然而,该解决方案往往涉及到专门的工艺,导致产量相对较低,不适合大量生产5G天线模块,以满足对5G连接解决方案日益增长的需求。此外,与典型的物联网天线模块尺寸相比,这些面板解决方案较大,而典型的物联网天线模块的边长大多只有几厘米。yrMednc

封装天线

5G天线模块需要新的解决方案来满足新5G应用的需求。因此,人们对封装内天线(AiP)、封装上天线(AoP)、片上天线(AoC)以及其他各种集成5G天线模块进行了芯片和模块封装技术的研究。yrMednc

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图2 AiP可以将一个或多个天线集成到带有收发器等RF芯片的IC封装中。来源:ASEyrMednc

为实现制造结构紧凑、成本相对较低、易于大规模生产且产量充足的5G天线模块的目标,人们正在探索多种方法。其中一些方法包括将天线模块作为小芯片放置在系统级封装(SiP)中,还有一些方法甚至将天线作为片上系统(SoC)集成到IC本身中。yrMednc

例如,AoP技术与SiP封装顶部的天线模块集成,可能是作为外壳、屏蔽的一部分,或者作为堆叠在其他小芯片或电路板模块顶部或是旁边的附加板。yrMednc

所有这些工作的一个关键考虑因素是单个天线元件和整个天线模块的性能。天线性能取决于细微的设计特点,以及与刺激天线元件的电信号的波长成比例的导体的相对尺寸。一般来说,天线越大,电气长度增加,增益越高。yrMednc

有一些方法可以通过谐振元件、分形设计技术和其他技术人为地增加电气长度。其中许多方法可以产生良好的窄带天线性能,但也可以进行调整以实现增强的宽带性能。然而,这些方法都极大地增加了天线元件的复杂性,从而增加了成本、开发时间,并降低了可能的产量。yrMednc

许多现代阵列天线都是由贴片天线组成的,这些天线要么是转换式的,要么是相控阵的某些变体。因此,所面临的挑战是如何在紧凑的IC或SiP上使用小型贴片天线阵列实现高水平的天线效率和增益。答案很简单,开发AiP、AoP和AoC的许多努力都是为了毫米波频率的操作,在这种频率下,相对波长可在紧凑尺寸中实现合理的天线效率。yrMednc

可以使用一组相对较小的天线元件作为阵列,将天线元件有效地组合成单个较大的天线。这种方法无法发挥MIMO的优势,但与波束成形兼容,并且可以使更紧凑的天线在较低频率下运行。yrMednc

芯片中的天线

AiP/AoP/AoC方法面临的一个挑战是如何实现极小间距和占位面积中的极高密度互连。借助IC技术,可以通过现有的IC布线功能来处理此问题,但对天线模块和RFFE使用不同的半导体可能会更有优势。在这种情况下,可能需要2.5D甚至全3D IC技术来实现堆叠或紧密集成各种半导体材料和工艺,从而将射频和数字电子产品结合起来。yrMednc

目前,有一些相对成熟的2.5D和3D IC技术,但这些成熟的技术的大多数都用于内存、存储、GPU、CPU和FPGA等纯数字电路。有一些商用产品以这种方式将射频和数字电路结​​合在一起,但这些产品仍然是非常专有的,并且没有广泛使用。yrMednc

如果能解决这些设计和集成难题,那么5G天线模块小型化将会带来巨大的好处。这包括拥有更紧凑的5G天线模块,这些模块可能更高效、成本更低、更容易批量生产,并且可以在高效的自动化测试设施中进行预认证。yrMednc

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图3 5G天线解决方案的密度和小型化程度可能会不断增长。资料来源:Yole GroupyrMednc

对于试图快速开发5G技术的企业来说,简化材料清单((BOM)和零部件采购情况极为有利,特别是由于标准和认证要求在不断变化,而且随着毫米波技术的日益普及,未来一段时间内很可能会出现波动。yrMednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:5G and the evolution of antenna modules,由Ricardo Xie编译。)yrMednc

责编:Ricardo
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