Vol.3支持“5G”通信的TDK“LTCC AiP”技術(shù)

繼LTE/4G通信之后，第5代移動(dòng)通信系統“5G”服務(wù)已在世界范圍內啟動(dòng)。利用毫米波帶的電波實(shí)現“超高速、大容量”、“多用戶(hù)同時(shí)連接”、“超低延遲”的5G通信中，將會(huì )大量設置的小型基站的“多元天線(xiàn)”發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。TDK正在利用在高頻元件和模塊等制造過(guò)程中積累的LTCC技術(shù)，開(kāi)發(fā)將多元天線(xiàn)的關(guān)鍵設備天線(xiàn)陣列和BPF（帶通濾波器）集合為一體的“LTCC AiP（封裝天線(xiàn)）”設備。通過(guò)采用低介電常數、低損耗的新型LTCC材料等措施，實(shí)現5G通信所需的高特性，同時(shí)還具有卓越的量產(chǎn)性、環(huán)境耐受性、放熱特性等，使靈活的5G通信系統設計成為可能。

“超高速、大容量”、“多用戶(hù)同時(shí)連接”、“超低延遲”是5G通信的3大特點(diǎn)

具有“超高速、大容量”、“多用戶(hù)同時(shí)連接”、“超低延遲”三大特點(diǎn)的5G通信，作為“萬(wàn)物互聯(lián)”的 IoT/IoE 社會(huì )的通信基礎設施受到了全世界的極大關(guān)注。5G通信與過(guò)去的移動(dòng)通信的不同點(diǎn)在于，5G通信采用的是毫米波^※帶的電波。
通信速度高達4G的10倍以上，實(shí)現了大容量通信，可在短短數秒內完成高清電影下載。

※一般情況下，毫米波 （EHF波） 指的是波長(cháng) 1～10mm 、頻率在 30～300GHz 范圍內的電波。

在5G通信中，將頻率約在 24～100GHz 范圍內的電波（包括微波 （SHF波） 即頻率在 24 GHz 左右的電波）稱(chēng)為毫米波。本文中所提到的毫米波指的也是在這個(gè)范圍內的電波。

另外，在5G通信中，與該毫米波帶一起被利用的還有頻率低于6GHz的微波。電波的頻率越高，越接近于光的性質(zhì)，直線(xiàn)度增強，接收距離變短。因此，在采用毫米波電波的5G通信中，基站可覆蓋的通信區域小于LTE/4G。因此，如下圖所示，5G通信是通過(guò)疊加結構的網(wǎng)絡(luò )來(lái)提供服務(wù)的，這種疊加結構是在涵蓋現有LTE/4G及以下級別通信的宏基站上重疊設置大量涵蓋5G通信的小基站而構成的。

通過(guò)在現有宏基站(～LTE/4G）上重疊設置（疊加）大量小基站（5G），維持順暢的通信。

5G在具有超高速、大容量的特點(diǎn)的同時(shí)，還利用后面將要提到的一種名為“波束成形”的技術(shù)，實(shí)現在每平方千米范圍內同時(shí)連接100萬(wàn)臺客戶(hù)端的多用戶(hù)同時(shí)連接功能。此外，通信延遲幾乎為零的超低延遲也是其一大特點(diǎn)。通過(guò)這些技術(shù)，
在諸如汽車(chē)和機械的遠程操控中，可實(shí)現絲毫感覺(jué)不到延時(shí)的無(wú)縫操作。同時(shí)，通過(guò)與機器人技術(shù)的融合，有望在遠程手術(shù)等方面大展拳腳。5G能夠使傳統通信不可能實(shí)現的多種多樣的應用成為可能，但在實(shí)用化和普及方面，還存在很多需要解決的技術(shù)課題。

多元天線(xiàn)和波束成形是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)

在克服電波接收距離短這一難題的同時(shí)，可同時(shí)連接多個(gè)客戶(hù)端而無(wú)延遲現象的5G關(guān)鍵技術(shù)，是基站的“多元天線(xiàn)”和“波束成形”。多元天線(xiàn)是由數量在10～100以上的大量天線(xiàn)元件組成的多功能天線(xiàn)，通過(guò)控制由天線(xiàn)元件發(fā)射的信號的位相等，使電波以波束的形式射向遠方，同時(shí)將電波定點(diǎn)輸送至數量眾多的各個(gè)客戶(hù)端。這便是被稱(chēng)為波束成形的技術(shù)。

Small Cell基站的多元天線(xiàn)向5G客戶(hù)端定點(diǎn)發(fā)送波束狀電波。由此，不僅能克服毫米波電波接收距離短的問(wèn)題，還可實(shí)現多用戶(hù)同時(shí)連接功能。 

應用于多元天線(xiàn)的TDK的LTCC技術(shù)

在面向5G基站的多元天線(xiàn)方面，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了將多個(gè)天線(xiàn)元件按矩陣狀排列的平面陣列天線(xiàn)。在平面陣列天線(xiàn)中，每個(gè)天線(xiàn)元件按所用電波的約二分之一波長(cháng)為間隔進(jìn)行搭載。例如，頻率為20GHz的電波的元件間隔為約7.5mm，16×16=256個(gè)元件組成的平面陣列天線(xiàn)的尺寸是長(cháng)約12cm的正方形。若頻率高于20GHz，則在相同的面積中可以集積更多數量的天線(xiàn)元件。但陣列天線(xiàn)還連接有BPF（帶通濾波器）和IC等元件，因此系統整體的小型化與陣列天線(xiàn)的制造方法有著(zhù)極大的關(guān)系。另外，毫米波容易被障礙物屏蔽，要在高樓林立的街道和大型購物中心等場(chǎng)所維持穩定的通信，需要設置大量的小型基站，并要求采用能夠以低廉的成本量產(chǎn)作為關(guān)鍵設備的多元天線(xiàn)的制造方法。而作為這方面較為恰當的制造方法而重新受到人們關(guān)注的，是LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics：低溫燒成陶瓷)工藝。LTCC工藝是在高頻元件、模塊等制造過(guò)程中開(kāi)發(fā)出來(lái)的積層陶瓷基板工藝。BPF等濾波器在原理上是由電感器（L）和電容器（C）組合而成的回路，但在高頻領(lǐng)域不能使用片式電感器和片式電容器之類(lèi)的分立元件（單個(gè)元件）。因此，如下列模式圖所示，在介電陶瓷薄板上形成金屬導體的微細電路（微帶線(xiàn)），通過(guò)該導體線(xiàn)路，發(fā)揮其作為電感器和電容器的功能，制造BPF等高頻元件和模塊。

電容器層采用的是高介電系數的陶瓷材料、電感器層采用的是低介電系數的陶瓷材料，因所采用的薄板材質(zhì)不同，將這些材料進(jìn)行共燒需要非常高的技術(shù)。

在高頻領(lǐng)域，導體線(xiàn)路中的電阻成分會(huì )降低濾波器的特性，因此導體采用的是電阻較小的銀（Ag）。但銀的熔點(diǎn)是960℃，若按普通的陶瓷燒成溫度（1300℃左右）進(jìn)行燒成，導體線(xiàn)路便會(huì )熔化變形。因此，為了保證能在低于銀熔點(diǎn)的低溫（約900℃）條件下完成燒成，一種在氧化鋁基陶瓷材料中添加特殊玻璃成分的基板材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)。LTCC工藝便是利用該低溫燒成陶瓷基板，對電感器部和電容器部的導體線(xiàn)路進(jìn)行絲網(wǎng)印刷，然后將其層疊起來(lái)進(jìn)行低溫燒成。

將天線(xiàn)元件與BPF集合為一體的“LTCC AiP設備”

在采用LTCC工藝制造高頻元件和模塊時(shí)，為實(shí)現小型化和提高特性，要使用不同材質(zhì)的陶瓷薄板，即電容器層采用的是高介電系數的陶瓷薄板，電感器層采用的是低介電系數的陶瓷薄板。但是，若將這些薄板層疊并共燒的話(huà)，會(huì )因熱膨脹率等不同而出現翹曲和剝離等問(wèn)題。TDK最先確立了“不同材質(zhì)共燒技術(shù)”這種高端的LTCC工藝，解決了這一難題，并實(shí)現了用于移動(dòng)通信客戶(hù)端的高頻濾波器和前端模塊等的產(chǎn)品化并投入市場(chǎng)。利用以該不同材質(zhì)共燒技術(shù)為代表的常年積累下來(lái)的LTCC技術(shù)，面向5G通信基站的多元天線(xiàn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的，是TDK的“LTCC AiP（封裝天線(xiàn)）”設備。如下列產(chǎn)品外觀(guān)和截面圖所示，這是一種通過(guò)LTCC工藝將4×4的天線(xiàn)元件與BPF集合為一體（AiP）的復合型設備?？蓪⑻炀€(xiàn)元件與BPF在同一制程集合為一體，并制造出用于實(shí)現陣列天線(xiàn)的大型基板，這是只有LTCC工藝才有的優(yōu)越性（可根據用途提供僅有天線(xiàn)元件的產(chǎn)品或僅有BPF的產(chǎn)品）。

天線(xiàn)層采用低介電系數、BPF層采用低損耗（高Q特性）的新型LTCC材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到應用，從而使毫米波帶也能得到更高的收益（利潤），這是LTCC AiP設備的一大特點(diǎn)。另外，與采用樹(shù)脂基板的產(chǎn)品相比，LTCC AiP設備的優(yōu)勢是具有卓越的環(huán)境耐受性和放熱特性，且設計的自由度高。另外，還可輕松應對26GHz帯、28GHz帯、39GHz帯等各種頻段，用于5G通信基站RF信號收發(fā)回路的多元天線(xiàn)，可發(fā)揮優(yōu)異的性能。 TDK還計劃利用毫米波電波暗室等，為客戶(hù)提供內置于套件后的特性評估和調整支持等服務(wù)。