随着移动通信市场对于超高数据传输、低延迟和大容量的需求越来越旺盛,通信行业需要开发5G无线技术的其他频段来缓解当前无线频谱的网络使用压力。
行业认为频谱中24 GHz以上的高频段具有支持大带宽和高数据速率的潜力,是增加无线网络容量的理想选择。由于该频段的电磁波波长以毫米为单位,这些高频段也通常被称为毫米波(mmWave)。
尽管毫米波频段可以一直延伸到300 GHz,但24 GHz到100 GHz的频段有望用于5G。
5G mmWave 频段
5G毫米波(mmWave)的优点
高速度、大容量:毫米波能够提供极高的数据传输速度,峰值速率可达30Gbps,支持大量设备同时连接,适合高清视频流直播、虚拟现实等场景 。
低延迟:毫米波技术可以通过降低通信延迟,来实现更快的响应,对于需要实时传输数据的应用场景如自动驾驶、远程控制等非常友好。
高方向性:毫米波的方向性好,波束窄,有利于精准定位和传输,可以提高信号的安全性和减少干扰 。
全天候特性:毫米波的传播受气候的影响要小得多,具有全天候特性 。
毫米波也有一些挑战,比如基站建设成本相对较高,信号覆盖范围相对较小,容易被建筑物和障碍物阻挡 。因此可以预期毫米波将与Sub-6GHz的5G以及4G LTE一起紧密部署集成,从而一起保障移动无线网络通信的性能和覆盖范围。
移动无线网络
基于NXP MMW9014设计5G毫米波基站
NXP基于5G 4通道双极化模拟波束毫米波IC MMW9014,设计了一款64通道,工作在24GHz到28GHz频段的5G毫米波基站
5G毫米波基站产品爆炸图
5G毫米波基站的有源相控阵天线设计非常紧凑,天线的间距需要严格控制在半波长5mm,每路天线都需要连接到两个极化馈电来形成一个发射/接收通道,从而形成相控阵天线矩阵。对于天线来讲,PCB的翘曲,工作温度和装配等任何微小的变化都会导致性能出现异常。
毫米波相控阵PCB天线
管理天线的翘曲
任何翘曲的产生都是由于PCB叠层设计和元器件的热性能不同,设备在工作过程中产生热累积,长时间工作后热应力让PCB发生翘曲。产品设计的目标就是在PCB天线的翘曲和热管理之间找到平衡,从而保证天线工作在正确的频点同时工作在稳定的温度环境。
设计PCB叠构
如下12层PCB叠层结构,顶部6层为毫米波相控阵天线矩阵,底部6层为馈电、电源、模拟和数字地。
由于PCB的正面有相控阵天线矩阵,为了尽量减少走线对于天线的干扰,应该尽量将走线分布在天线的区域以外。
叠孔的设计
叠孔设计控制在三次以内,尽量使用非叠孔设计,从而增强PCB叠层之间的结合力,尽量降低因为铜和PP不同热膨胀系数对PCB翘曲产生的影响。