【选型】通往5G之路：设计毫米波大规模MIMO天线的板材推荐

2018-03-07 ROGERS(世强编辑整理) 馨小喵
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不管是在6GHz以下的5G，还是在微波频段，大规模多入多出（Multiple-in Multiple-out，MIMO）技术都是5G被广泛应用的关键技术之一。大规模MIMO天线系统最开始从有源天线发展而来，由于通信网络冗余度的提升，在网络设计中要求把更多的天线集中在一个通信模块中，来完成波束赋形与缩小小区以提供更高的数据容量的需求。在5G设计中，由于微波频段的采用，微波频段的MIMO天线系统设计越来越重要，它不仅要满足微波频段低损耗、更精确的高要求，还要求它成为高集成度、高可靠性的MIMO多天线系统。

 

随着人们对视频与数据容量提升的需求在不断增加，现有频谱的波段却非常有限，因此面临在低频频段找不到更新的频段来拓展数据容量的问题。研究者们尝试了几乎所有提高频谱效率的方法，例如在码域做码分复用，频域做频分复用，时域做时分复用，甚至考虑在空分进行多天线系统的设计，都不能满足爆发式的数据容量需求，因此必须要找到新的解决方案。而在15GHz以上才有较宽带宽的空白频谱资源，MIMO天线系统作为空分系统的升级形式，可以得到更多的波束与更窄的波束，因此，它作为进一步提高频谱利用率的方法而被采用。为了在微波频段实现MIMO系统，需要为之设计相应的电路，而ROGERS公司可以提供相应的板材。

 

首先，举一个在高频微波频段使用多天线系统的例子，虽然这个天线系统是雷达天线系统，而不是MIMO天线系统，但其可以证明Rogers公司板材的一些性能。在24GHz的汽车雷达设计中，使用了RO4835™材料，该材料为玻纤布增强、陶瓷填充的热固型树脂，其特点为低损耗、易加工，适合做多层板；而在77GHz的汽车雷达天线设计中，使用了RO3003™这款材料，该材料为无玻纤布增强、陶瓷填充的PTFE树脂，其特点为低损耗（比RO4835损耗更低）、各向同性，因此它的射频与电气性能优于RO4835™，从而在微波频段中广泛应用。

 

图1展示了几种PTFE基材的剖面图。若PTFE基材只加玻纤布而不加其他填料，通常它的Dk是2.17-2.5，Df为0.0009-0.0020，这类基材的特点是Dk比较低，由于加入的玻纤布较少，因此损耗也比较好，不过因为PTFE含量导致价格较高；若加入玻纤布与填料，Dk最高可达3.5，Df最高可达0.0038，损耗比只加入玻纤布的PTFE材料要高。


图1  Rogers公司PTFE基材剖面图

 

图2展示了基于PTFE天线板材解决方案的具体指标：（1）第一类低Dk材料以DiClAD 880为例，它的Dk非常低，约2.2，损耗也非常好，它是现在能找到的最低损耗的一款板材，若在5G设计中对互调有要求，那么这类基材采用光滑铜会具有非常好互调性能，但同时它的热膨胀系数非常高，因此不适合用于多层板设计中；（2）第二类中等Dk材料，这儿列举了两款，分别是AD255C™与AD300C™，这两款材料因为加入了量更多的玻纤布，因此Dk有所增加，但也会带来更大的损耗，不同的是，AD300C™特别地控制了CTE从而可用于多层板加工，而AD255C™由于较大的CTE从而不适合用于多层板加工；（3）第三类材料是PTFE系列中Dk较高但其实是中等Dk的材料，分别是RO3003™与CLTE-AT，它们不仅加入了玻纤布还加入了填料，因此CTE更好，特别适合多层板加工。若5G微波频段的大规模MIMO天线设计不仅需要低损耗还需要馈电网络或矫正网络的设计，那么多层板设计是不可或缺的，因此选择RO3003™与CLTE-AT™这两款材料是比较合适的。


图2  基于PTFE天线板材解决方案的具体指标

 

而基于热固型树脂的天线板材，它的Dk相对PTFE更高，为2.55-3.8，属于中等Dk材料，损耗也会更大一些。若只针对RO4000™系列的材料而言，它们的Dk无法低至2.55，是因为Rogers公司采用了一种特殊的技术，即加入中空陶瓷球，以进一步降低材料的Dk，使得Rogers公司的RO4725JXR™材料达到2.55的Dk。同时微波天线材料要求低损耗，因此Rogers公司在RO4000™系列材料上使用了LoPro铜箔，从而带来更好的互调与插损指标。此外，RO4000™系列材料的CTE较好，加工也像FR-4一样简单，所以若在毫米波40GHz以下，可以采用热固型材料作为微波频段5G大规模MIMO天线设计。图3罗列了几款基于热固型树脂天线板材的具体指标，分别是RO4533™，RO4535™，RO4700JXR™与RO4730G3™。


图3  基于热固型树脂天线板材的具体指标

 

在介绍PTFE板材时提到过CTE过高不适用于多层板的加工，下面对此进行原因说明：（1）CTE值，又叫热膨胀系数，若平面（X-Y方向）热膨胀系数较大，那么PCB的涨缩会引起板弯板翘，如果混压板中各个不同层数的板材平面涨缩不一致，会造成多层板结构的风险；（2）若Z轴热膨胀系数过高或板材设计不当，会引起金属通孔被拉断。

 

总而言之，在大规模MIMO系统中集成的有源天线会需要射频性能优异并具有一定机械性能的板材来制作多层板，其中热固型板材最适用于多层板的天线/功放设计，RO4730G3™板材是特别为这类应用设计的，而大于40GHz的毫米波MIMO天线设计，由于极低损耗的需要，更应该使用RO3003™与CLTE-AT™板材。


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全部评论（99）

  • 电子老菜鸟 Lv7 资深专家 2018-03-07
    要做SSD产品，要满足USB3.1 GEN2要求的高频板材，求推荐
    • 世强大城小事_世强回复： 推荐世强代理的Rogers（罗杰斯）的高频板材，具体选型可参考以下链接：https://www.sekorm.com/doc/65934.html

      查看全部2条回复

  • 北冥之鲲 Lv8 2019-01-21
    罗杰斯在RO3003基础上新推出了RO3003G2，具有更低的损耗，可以用于对损耗要求更高的40GHz以上频段的5G应用。
  • 北冥之鲲 Lv8 2018-12-20
    目前5G天线在6GHz以下频段推荐罗杰斯的介电常数3.0的RO4730G3 20或30mil厚度材料，30G以上频段推荐RO3003 10mil厚度材料。
  • plhust Lv7. 资深专家 2020-07-08
    学习
  • plhust Lv7. 资深专家 2020-06-22
    学习
  • 尼古拉斯福旺 Lv7. 资深专家 2019-01-24
    真的要5G了么
  • 用户75754124 Lv5. 技术专家 2019-01-22
    学习了
  • Division Lv6. 高级专家 2019-01-21
    学习
  • 文定 Lv5. 技术专家 2019-01-21
    学习
  • 杨胖胖 Lv4. 资深工程师 2019-01-20
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产品型号
品类
产品系列
介电常数（Dk）
正切角损耗（Df）
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导热系数W/(m·K)
铜箔类型
铜箔1厚度
铜箔2厚度
尺寸(inch)
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0.33
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