毫米波5G手机天线设计的绝缘导热材料应用

    本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。    

什么是5G?

一

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

二

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势：毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收，对材料非常敏感。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是TIM热管理?

定义

热管理？顾名思义，就是对“热“进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率，又称导热系数，反映物质的热传导能力，按傅立叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大，表示物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题，散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能，以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

5G毫米波手机天线工艺设计交流探讨

   随着5G时代的到来，手机的屏占比越来越大，电池容量不断提升，还要整机做薄，在很有限的空间上要布局5G、蓝牙、 WIFI、NFC和无线充电等等，外加MIMO技术还需要布局多个天线，对射频技术、结构布局、工艺开发等工作都是很大挑战。同时5G用于数据通讯的场景激增，形成万物互联的态势，因此对天线的适应性要求激增。    

      手机天线还有一个重要的关注点，即工艺和材质的变化。5G时代的频段可分为Sub-6和毫米波两大频段。在Sub-6频段，MIMO天线是主流，并且还将增大MIMO天线的数量，比如8X8MIMO、16X16MIMO等。

     在工艺上，LDS、FPC、PDS等传统天线加工工艺仍然适用，真正将发生变化的是毫米波频段。5G毫米波将采用阵列天线，在天线制作原理以及加工工艺上与传统天线都有很大的不同。一是通过波束成型提升信号传输距离。5G毫米波由于频率高，传输距离短，只能通过阵列天线以及波束成型来增加天线的增益，以克服在空气中传输距离短的问题，因此5G天线由原来4G的全向天线变为了定向天线。二是通过“移相器+衰减算法”减少信号受阻衰减。

      波束成形模块只提高了毫米波的传输能力，但没有解决信号受到阻碍物衰减过快的问题，目前主要有两种解决方案，一是利用数字相移器与衰减器的算法，来控制波束追踪手机用户，以维持讯号的稳定度；二是增加波束成形模块的数量，以达到通信无死角的设计方案。三是毫米波天线需要新的加工工艺。天线尺寸跟工作频率成反比，毫米波的频率变高，天线尺寸变小，传统的简单的加工形式精度不够，还得借助于其他的加工形式，如高通毫米波天线模块采用的LTCC工艺。

材质方面，受天线基材需要低介电常数这一因素的影响，预计在Sub-6频频段将采用MPI和PDS，毫米波将采用LCP、LTCC、PDS。同时，随着信号频率的快速提升，以前默默无闻的因天线自身材料造成的额外损耗影响也将跳入大家的视野。

     有手机天线专家在演讲时提出，从1G乃至于5G的sub-6GHz（低于6 GHz）频段，天线设计的主要挑战基本上是来自于“数量的增长”，如无线通信频段数量的增长及天线数量上的增长。

然而，到了5G毫米波频段，手机天线设计从单天线且波束固定的天线设计，转变为天线阵列（多天线单元）的设计，同时还是可波束赋形（beamforming）的阵列设计。故黄博士认为，5G毫米波的天线阵列设计对手机天线设计的技术与艺术而言，则可视为是“质的跳跃”。     

在5G的大潮中，除了芯片厂商、运营商，与设备厂商外，终端厂商也扮演着重要的角色。因其整体与用户更加贴近，故可以为使用场景的技术预研，及终端性能的挖掘与优化进行积累准备，而5G手机的天线设计便是手机无线通信性能研究与优化极为重要的方向之一。而可见的未来，手机基本而言依然是人们日常生活中最重要的无线通信工具之一，而无线通信的品质好坏很大程度即取决于天线性能。

何谓天线？它有什么作用？以工程上的基本定义而言，天线是一个过渡元器件，其担负着终端与自由空间端间电磁能量平滑有效率进行收发传递的功用，且天线在无线通信链上，其是发射端的最后一级，但却又是接收端的第一级，即其同时身兼前锋与后卫的角色，也如山海关一般，是中原出塞的最后一关，但却又是塞入中原的第一关，故若山海关不振，则中原震荡，京师危矣，故天线在无线通信链路上的关键地位不言而喻。

对于无线通讯设备来说，天线对此些设备起的作用，相当于眼睛和耳朵之于人类。性能低下的天线常常造成高掉话率与更短的通讯距离，好比因近视和弱听造成人类较短的视力距离和较差的听力品质。

回顾这些年天线设计的发展历程时，在1G到3G世代的手机天线设计，基本可由天线设计师独力完成，但到了4G LTE时代，由于频带的增多与频率下探，在受限的天线有效空间下，往往需借助电调谐器件，以达更有效率的辐射，而此时软件便对手机天线设计有所涉入与贡献，但此时软件工作仍属于支持天线设计师的辅助角色，到了5G毫米波的天线阵列设计，软件的角色已经不再只是按照天线设计师的要求进行协助，而是转变为可以直接影响波束赋形阵列性能良莠的关键角色。

1G到3G，天线设计师对手机天线设计是主宰的角色，而到4G是主导的角色，到了5G毫米波，则转变为与软件工程师协作的角色，而这也是由另一视角与观点再次说明5G手机毫米波天线阵列设计本质上的转变。

而因毫米波通信的高频传输，故能因其大的带宽带来更高的通信系统容量，而使无线传输速率进一步增长，而支撑5G主要场景之一“热点高容量”的无线通信指标要求，以提升用户5G的无线体验。而如前述，毫米波天线阵列便是这一高速无线体验的关键支柱。

而目前虽然5G手机整机主要且直接的毫米波天线性能指标尚未明确及订出，但一般可分为两个维度，一个是EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，有效无向辐射功率）的最大值与最小值，因为若EIRP太大，会造成对其他系统的EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）；而若EIRP太小，则无法保证有效的无线通信品质，故毫米波天线阵列的EIRP需规范在一合理的最大与最小值区间之内。

另一维度是最低的波束空间覆度，因越广的空间覆盖越有助于用户的无线体验，但越广的空间覆盖，则往往需要牺牲手机外形设计的极致性与吸引力，故在毫米波束广覆盖度与手机整体竞争力两者间需做适当的权衡，而这其实也是目前3GPP RAN4 （Radio Access Network）5G毫米波讨论的重点热区。

此外，毫米波波束赋性天线阵列有不同的设计架构与方向，但现今手机毫米波天线阵列较为主流与合适的可能方向一般是基于相控阵（phased antenna array）的方式，而相控阵毫米波天线阵列实现的方式主要可分为三种，即：AoB （Antenna on Board，即天线阵列位于系统主板上)、AiP （Antenna in Package，即天线阵列位于芯片的封装内)，与AiM （Antenna in Module，即天线阵列与RFIC形成一模组)。

虽此三者各有优势之处，但目前更多的是以AiM的方式实现，而AiM毫米波波束赋性天线阵列的设计重点主要有：天线阵列（包含feeding network，即馈入网路）的设计与优化能力、板材（substrate）与涂料（coating）的选择与验证能力、电气系统与结构环境的设计与优化能力、模组化制程的设计与实现能力，与软件算法的设计与优化能力等。而黄博士也分享手机毫米波的射频前端主要电路框图，黄博士表示，射频前端器件（如：功率放大器，PA与低噪声放大器，LNA，即相移器，PS）皆会整合入射频芯片（RFIC）内，且每一路（因有多路以连接多个天线单元）的射频通路皆有各自的PA，LNA，与PS，而毫米波天线阵列与射频芯片间将取消传统的射频座，即不会有传统的板端射频调试与传导测试，相关射频参数验证将以空口（OTA, Over-the-Air）方式进行。

在分享毫米波射频前端电路的架构后，也对手机毫米波天线阵列设计进行深入而详尽的剖析，黄博士表示，AiM的毫米波天线阵列为了更好的波束赋性以达到前述的更广的空间覆盖，一般会以辐射波束互补（如broadside radiation，即宽边辐射，与end-fire radiation，即端射）的天线种类（如patch antenna，即贴片天线，与quasi-Yagi antenna，即准八木天线）进行搭配设计，并基于天线馈点的适当设计，以达到双极化（垂直与水平极化）的覆盖，以增加无线通信连接能力，且将RFIC倒置焊接，以让天线馈入走线尽量缩短，以减少高频传输带来的高路损，而使得毫米波天线阵列有更高的辐射增益，达到较好的EIRP与覆盖强度。