5G多天線在小型蜂窩基站中的應(yīng)用

基于第五代 （5G） 移動通信系統(tǒng)的服務(wù)已經(jīng)開始，除了只需數(shù)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 （LTCC AiP）（*1）設(shè)備，此類設(shè)備將成為 5G 多天線的關(guān)鍵元件，在小型蜂窩基站中發(fā)揮重要作用。

多天線對5G市場中日益擴(kuò)張的小型蜂窩基站提出挑戰(zhàn)

隨著萬物互連的 IoT/IoE 社會的出現(xiàn)，人們的關(guān)注點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施元素的 5G 通信，并預(yù)測該市場將會得到快速增長。雖然 5G 相關(guān)產(chǎn)品的市場只是初具雛形，但在 2023 年，全球市場價值預(yù)計將達(dá)到 380 億美元。與小型蜂窩基站相關(guān)的產(chǎn)品與服務(wù)預(yù)計將占到該總價值的 70% 左右。（Fuji Chimera Research Institute， Inc.《實(shí)現(xiàn) 5G/高速大容量通信的核心技術(shù)未來展望》，2018 年）

之所以會實(shí)現(xiàn)快速增長，原因在于 5G 通信使用的是毫米波（*2），所以每個 5G 基站僅涵蓋有限的區(qū)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將覆蓋通過傳統(tǒng)通信基站提供覆蓋范圍的每個宏基站。此外，由于毫米波容易被物體屏蔽，因此在火車站、購物商場和體育館等地點(diǎn)需要安裝更多的小型蜂窩基站。

5G 通信的特點(diǎn)

? 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(shù)秒內(nèi)下載完畢。

? 多個并發(fā)連接 - 每 km2 可連接100 萬個終端，不會出現(xiàn)通信延遲。

? 超低延遲 - 通信延遲是 4G 的十分之一（約 1 毫秒）。預(yù)計將應(yīng)用于無人駕駛和遠(yuǎn)程手術(shù)領(lǐng)域。

集成多個天線元件的多天線在小型蜂窩基站中發(fā)揮著重要的作用。5G 通信的關(guān)鍵技術(shù)是波束形成（*3），該技術(shù)將無線電波轉(zhuǎn)換為波束，然后將波束傳輸?shù)矫總€終端。例如，在體育場舉行的體育賽事中，該技術(shù)可將各個角度的運(yùn)動員動作傳輸至大量觀眾終端，實(shí)時同步廣播多場比賽，并提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)觀眾服務(wù)。該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)全新的賽事觀賞方式。

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

5G 通信中的波束形成

外形更小巧、更纖薄的復(fù)合設(shè)備為5G提供多天線解決方案

TDK 利用多年來累積的獨(dú)有 LTCC 技術(shù)為 5G 小型蜂窩基站開發(fā)了將天線元件與 BPF 集成到 LTCC 多層基板中的“LTCC AiP 設(shè)備”。該設(shè)備的一個關(guān)鍵特點(diǎn)是在天線層采用了新開發(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(yīng)能力和散熱效果以及設(shè)計和評估自由度，該設(shè)備為 5G 通信基站多天線提供出色性能。

LTCC 技術(shù)是為生產(chǎn)高頻元件等而開發(fā)的構(gòu)造方法。為在相對低溫下（大約 900°C）燒結(jié)而開發(fā)的陶瓷板材經(jīng)過多層壓制，可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，金屬導(dǎo)體微觀布線路徑在介電陶瓷板上形成，導(dǎo)體圖案使其能夠充當(dāng)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共燒，TDK 率先提出一種高級 LTCC 構(gòu)造方法，并已實(shí)現(xiàn)了用于移動通信終端的高頻過濾器和前端模塊的商業(yè)化。

由多個元件（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(jié)省更多的空間。

在萬物通過互聯(lián)網(wǎng)連接的 IoT/IoE 社會中，5G 通信網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將成為通信基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的一部分。TDK 將持續(xù)供應(yīng)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(yīng)、噪聲抑制和電池的產(chǎn)品與服務(wù)。

支持5G通信的部分TDK產(chǎn)品

LTCC AiP 設(shè)備是一種復(fù)合設(shè)備，其將 4 x 4 天線元件、BPF 和其他電路集成到 LTCC 多層基板中。通過使用低介電 LTCC 材料，可在毫米波段實(shí)現(xiàn)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。

我們對未來的構(gòu)想

面向未來，我們對5G通信也有著無數(shù)的構(gòu)想。TDK的射頻元件為實(shí)現(xiàn)5G提供支持，比如，實(shí)現(xiàn)全球數(shù)百萬移動設(shè)備的實(shí)時體育賽事廣播。