3GPP發(fā)布的最新5G標準規(guī)范正式確定并改進了許多功能，這些功能增加了5G硬件的實用性和復雜性。移動寬帶增強（eMBB）、超高可靠低時延通信（URLLC）、海量機器類通信/大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC/mIoT）以及增強的確定性都為5G無線通信帶來了獨特的方面，將高度專業(yè)化的優(yōu)先級系統(tǒng)的功能融合到具有全球影響力的單一標準中。

5G的另一個新穎之處在于，隨著頻率選擇的開放和蜂窩通信技術在這些頻率上的應用，5G將會納入毫米波（mmWave）頻譜的頻段，最高可能會達到90GHz。

5G的所有這些新特性和新功能改變了蜂窩連接范式，使其成為移動手機的語音、文本和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。這使得5G成為一種更加無處不在的無線通信和連接解決方案，適用于各種醫(yī)療、工業(yè)、政府、軍事、汽車、航空航天、安全、大數(shù)據(jù)和其他新興應用。

5G天線模塊

這些新的5G用例和功能改變了5G天線模塊的格局，使其從智能手機和平板電腦中使用的專用、通常是定制設計和開發(fā)的便攜式移動設備硬件，轉(zhuǎn)變?yōu)榧傻?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器平臺、自主移動機器人（AMR）、工業(yè)控制設備、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）頭戴設備/系統(tǒng)以及汽車平臺中的物聯(lián)網(wǎng)模塊。

以3GPP的最新版本（release 17）為例，64T64R具有16層下行鏈路（DL）和8層上行鏈路（UL）。它十分有利于256個天線元件或16×16設計。相比之下，4G的最大MIMO能力為8T8R DL和4T4R UL。因此，隨著最新5G版本的發(fā)布，天線元件和MIMO層的總數(shù)急劇增加。

這導致天線模塊、射頻前端（RFFE）模塊、MIMO/波束成形信號處理和布線復雜性等方面的設計發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。這種復雜程度和增加的布線密度超出了傳統(tǒng)PCB技術的能力范圍。

一段時間以來，衛(wèi)星通信（Satcom）領域也出現(xiàn)了類似的技術趨勢。衛(wèi)星通信應對這些挑戰(zhàn)的常見解決方案是采用高度復雜的定制面板，這些面板由電路板堆疊而成，通常帶有嵌入式組件?，F(xiàn)在，人們正在為從宏基站到小基站的5G基站單元探索板中天線或板上天線技術。

然而，該解決方案往往涉及到專門的工藝，導致產(chǎn)量相對較低，不適合大量生產(chǎn)5G天線模塊，以滿足對5G連接解決方案日益增長的需求。此外，與典型的物聯(lián)網(wǎng)天線模塊尺寸相比，這些面板解決方案較大，而典型的物聯(lián)網(wǎng)天線模塊的邊長大多只有幾厘米。

封裝天線

5G天線模塊需要新的解決方案來滿足新5G應用的需求。因此，人們對封裝內(nèi)天線（AiP）、封裝上天線（AoP）、片上天線（AoC）以及其他各種集成5G天線模塊進行了芯片和模塊封裝技術的研究。

為實現(xiàn)制造結(jié)構(gòu)緊湊、成本相對較低、易于大規(guī)模生產(chǎn)且產(chǎn)量充足的5G天線模塊的目標，人們正在探索多種方法。其中一些方法包括將天線模塊作為小芯片放置在系統(tǒng)級封裝（SiP）中，還有一些方法甚至將天線作為片上系統(tǒng)（SoC）集成到IC本身中。

例如，AoP技術與SiP封裝頂部的天線模塊集成，可能是作為外殼、屏蔽的一部分，或者作為堆疊在其他小芯片或電路板模塊頂部或是旁邊的附加板。

所有這些工作的一個關鍵考慮因素是單個天線元件和整個天線模塊的性能。天線性能取決于細微的設計特點，以及與刺激天線元件的電信號的波長成比例的導體的相對尺寸。一般來說，天線越大，電氣長度增加，增益越高。

有一些方法可以通過諧振元件、分形設計技術和其他技術人為地增加電氣長度。其中許多方法可以產(chǎn)生良好的窄帶天線性能，但也可以進行調(diào)整以實現(xiàn)增強的寬帶性能。然而，這些方法都極大地增加了天線元件的復雜性，從而增加了成本、開發(fā)時間，并降低了可能的產(chǎn)量。

許多現(xiàn)代陣列天線都是由貼片天線組成的，這些天線要么是轉(zhuǎn)換式的，要么是相控陣的某些變體。因此，所面臨的挑戰(zhàn)是如何在緊湊的IC或SiP上使用小型貼片天線陣列實現(xiàn)高水平的天線效率和增益。答案很簡單，開發(fā)AiP、AoP和AoC的許多努力都是為了毫米波頻率的操作，在這種頻率下，相對波長可在緊湊尺寸中實現(xiàn)合理的天線效率。

可以使用一組相對較小的天線元件作為陣列，將天線元件有效地組合成單個較大的天線。這種方法無法發(fā)揮MIMO的優(yōu)勢，但與波束成形兼容，并且可以使更緊湊的天線在較低頻率下運行。

芯片中的天線

AiP/AoP/AoC方法面臨的一個挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)極小間距和占位面積中的極高密度互連。借助IC技術，可以通過現(xiàn)有的IC布線功能來處理此問題，但對天線模塊和RFFE使用不同的半導體可能會更有優(yōu)勢。在這種情況下，可能需要2.5D甚至全3D IC技術來實現(xiàn)堆疊或緊密集成各種半導體材料和工藝，從而將射頻和數(shù)字電子產(chǎn)品結(jié)合起來。

目前，有一些相對成熟的2.5D和3D IC技術，但這些成熟的技術的大多數(shù)都用于內(nèi)存、存儲、GPU、CPU和FPGA等純數(shù)字電路。有一些商用產(chǎn)品以這種方式將射頻和數(shù)字電路結(jié)??合在一起，但這些產(chǎn)品仍然是非常專有的，并且沒有廣泛使用。

如果能解決這些設計和集成難題，那么5G天線模塊小型化將會帶來巨大的好處。這包括擁有更緊湊的5G天線模塊，這些模塊可能更高效、成本更低、更容易批量生產(chǎn)，并且可以在高效的自動化測試設施中進行預認證。

對于試圖快速開發(fā)5G技術的企業(yè)來說，簡化材料清單（（BOM）和零部件采購情況極為有利，特別是由于標準和認證要求在不斷變化，而且隨著毫米波技術的日益普及，未來一段時間內(nèi)很可能會出現(xiàn)波動。