面向5G通信基站的天線(xiàn)解決方案

基于第五代 (5G) 移動(dòng)通信系統的服務(wù)已經(jīng)開(kāi)始，除了只需數秒就可以下載電影的“超快速度和大容量”之外，其還擁有“多個(gè)并發(fā)連接”和“超低延遲”的特點(diǎn)。TDK 計劃提供低溫共燒陶瓷封裝天線(xiàn) (LTCC AiP)¹ 設備，此類(lèi)設備將成為 5G 多天線(xiàn)的關(guān)鍵元件，在小型蜂窩基站中發(fā)揮重要作用。

隨著(zhù)萬(wàn)物互連的 IoT/IoE 社會(huì )的出現，人們的關(guān)注點(diǎn)逐漸轉向作為關(guān)鍵基礎設施元素的 5G 通信，并預測該市場(chǎng)將會(huì )得到快速增長(cháng)。雖然 5G 相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)只是初具雛形，但在 2023 年，全球市場(chǎng)價(jià)值預計將達到 380 億美元。與小型蜂窩基站相關(guān)的產(chǎn)品與服務(wù)預計將占到該總價(jià)值的 70% 左右。（Fuji Chimera Research Institute, Inc.《實(shí)現 5G/高速大容量通信的核心技術(shù)未來(lái)展望》，2018 年）

之所以會(huì )實(shí)現快速增長(cháng)，原因在于 5G 通信使用的是毫米波²，所以每個(gè) 5G 基站僅涵蓋有限的區域。因此，5G 通信網(wǎng)絡(luò )配置的特點(diǎn)是擁有大量小型蜂窩基站，這些基站在最初安裝時(shí)將覆蓋通過(guò)傳統通信基站提供覆蓋范圍的每個(gè)宏基站。此外，由于毫米波容易被物體屏蔽，因此在火車(chē)站、購物商場(chǎng)和體育館等地點(diǎn)需要安裝更多的小型蜂窩基站。

5G 通信的特點(diǎn)

o    超快速度/大容量 -

通信速度比 4G 快 10 倍。即使是一部高清電影也可在數秒內下載完畢。

o    多個(gè)并發(fā)連接 -

每 km2 可連接100 萬(wàn)個(gè)終端，不會(huì )出現通信延遲。

o    超低延遲 -

通信延遲是 4G 的十分之一（約 1 毫秒）。預計將應用于無(wú)人駕駛和遠程手術(shù)領(lǐng)域。

全球 5G 基站市場(chǎng)

Fuji Chimera Research Institute, Inc.，《實(shí)現 5G/高速大容量通信的核心技術(shù)未來(lái)展望》，2018 年

集成多個(gè)天線(xiàn)元件的多天線(xiàn)在小型蜂窩基站中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。5G 通信的關(guān)鍵技術(shù)是波束形成³，該技術(shù)將無(wú)線(xiàn)電波轉換為波束，然后將波束傳輸到每個(gè)終端。例如，在體育場(chǎng)舉行的體育賽事中，該技術(shù)可將各個(gè)角度的運動(dòng)員動(dòng)作傳輸至大量觀(guān)眾終端，實(shí)時(shí)同步廣播多場(chǎng)比賽，并提供增強現實(shí)觀(guān)眾服務(wù)。該技術(shù)將實(shí)現全新的賽事觀(guān)賞方式。

在波束形成過(guò)程中，通過(guò)控制從多天線(xiàn)的天線(xiàn)元件輻射出的信號相位，將無(wú)線(xiàn)電波轉換為波束。因此，集成多個(gè)天線(xiàn)元件的陣列天線(xiàn)逐漸發(fā)展成了多天線(xiàn)。由于帶通濾波器 (BPF) 和集成電路 (IC) 也連接至陣列天線(xiàn)，所以這些天線(xiàn)需要外形小巧且纖薄，并確保整個(gè)系統的高級功能。

5G 通信中的波束形成

外形更小巧、更纖薄的復合設備為 5G 提供多天線(xiàn)解決方案

TDK 利用多年來(lái)累積的獨有 LTCC 技術(shù)為 5G 小型蜂窩基站開(kāi)發(fā)了將天線(xiàn)元件與 BPF 集成到 LTCC 多層基板中的“LTCC AiP 設備”。該設備的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是在天線(xiàn)層采用了新開(kāi)發(fā)的低介電材料，因此即使是在毫米波段也能獲得高增益。其他優(yōu)勢包括出色的環(huán)境適應能力和散熱效果以及設計和評估自由度，該設備為 5G 通信基站多天線(xiàn)提供出色性能。

LTCC 技術(shù)是為生產(chǎn)高頻元件等而開(kāi)發(fā)的構造方法。為在相對低溫下（大約 900°C）燒結而開(kāi)發(fā)的陶瓷板材經(jīng)過(guò)多層壓制，可實(shí)現低溫燒結，金屬導體微觀(guān)布線(xiàn)路徑在介電陶瓷板上形成，導體圖案使其能夠充當電感器或電容器。由于用于電容器層和電感器層的片材材料不同，所以需要高級共燒技術(shù)。對于不同材料的此類(lèi)共燒，TDK 率先提出一種高級 LTCC 構造方法，并已實(shí)現了用于移動(dòng)通信終端的高頻過(guò)濾器和前端模塊的商業(yè)化。

LTCC 設備的分層結構

由多個(gè)元件（如電容器和電感器）組成的電路在介電板材上印刷和積層。與在印刷基板上高密度安裝元件相比，這可節省更多的空間。

在萬(wàn)物通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接的 IoT/IoE 社會(huì )中，5G 通信網(wǎng)絡(luò )預計將成為通信基礎設施中不可或缺的一部分。TDK 將持續供應各種支持 5G 通信網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)，包括用于通信電路、感應、噪聲抑制和電池的產(chǎn)品與服務(wù)。

支持 5G 通信的 TDK 產(chǎn)品

·         通信電路

射頻組件和模塊: 為 5G 通信的穩定無(wú)線(xiàn)電波傳輸做出貢獻。

·         通信電路

用于NFC 電路的電感器: 將近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信 (NFC) 融入 5G 終端。

·         通信電路

射頻電感器: 減少信號損失，提升高頻 (RF) 電路的性能。

·         感應

MEMS 運動(dòng)傳感器 : 用于檢測各種動(dòng)作的傳感器。也應用于 5G 終端。

·         感應

TMR 磁傳感器 : 應用了 HDD 磁頭技術(shù)的高度靈敏磁傳感器。

·         噪聲抑制

噪聲抑制片 : 一種磁片，可防止因輻射噪聲引起的設備故障。

·         電池

聚合物鋰離子電池 : 高效的蓄電池。預計也將在 5G 終端中發(fā)揮積極作用。

LTCC AiP 設備

LTCC AiP 設備是一種復合設備，其將 4 x 4 天線(xiàn)元件、BPF 和其他電路集成到 LTCC 多層基板中。通過(guò)使用低介電 LTCC 材料，可在毫米波段實(shí)現卓越的低損耗性能。該產(chǎn)品非常適合用于 5G 通信基站的陣列天線(xiàn)。

術(shù)語(yǔ)

1.       低溫共燒陶瓷 (LTCC) 是一種模塊技術(shù)，用于在介電板材（使用氧化鋁作為基底的玻璃陶瓷）上印刷和分層由多個(gè)元件（如電容器和電感器）組成的電路。與在印刷基板上高密度安裝元件相比，可節省更多的空間。

2.       毫米波是指 1-10 mm 的波長(cháng)。與微波類(lèi)似，它們遵循非常筆直的路徑，特點(diǎn)是能夠傳輸海量信息。由于毫米波比低頻波更少使用，因為仍處于研發(fā)階段。

3.       波束形成技術(shù)通過(guò)控制從多天線(xiàn)的天線(xiàn)元件輻射的信號相位并將其現場(chǎng)傳輸到大量單獨的終端，將無(wú)線(xiàn)電波作為高指向性波束進(jìn)行遠距離傳輸。