转型5G：PCB更具优势

Transformation to 5G: PCB Advantage

Tony Mattingly

罗杰斯公司，美国亚利桑那州钱德勒

很难相信，第一代移动通信（1G）问世已经30多年了，那个时候使用的是模拟通信技术且还没有统一的标准。随着数字通信技术的引入，20世纪90年代第二代移动通信（2G）诞生，人们除了通话，还可以使用蜂窝设备来发送短信息。十年后的21世纪，第三代移动通信（3G）标准问世，能够支持30至40 Mbps的数据速率。随后，第四代移动通信（4G）在七年前被引入，尽管它给世界带来了更高的频谱效率，但是当前消费者对无线数据的使用呈指数级增加，推动了对移动网络容量和更高性能的需求。现在，我们来看看智能手机上数据需求的主要驱动力——视频数据流。假设，每天只看1个小时的移动视频，以典型的流媒体视频YouTube或Netflix为例，按1Mbps的吞吐量计算，那么每个终端每月消耗的流量为13.5GB。随着未来几年5G和IoT生态系统的不断发展，人们对数据的需求肯定会持续增长（图1），毫无疑问，我们将会生活在一个数十亿台设备互通互联的世界中，而且这些设备之间的通信将会是即时无中断的。

图1：无处不在的互联推动了无线数据日益增长的需求。

容量增加需要大量资金，另外可以提供用来架设天线基站的空间也是有限的。在美国，大多数基站铁塔是归American Tower、Crown Castle以及SBA这些公司所有，其产权并不是由运营商所有。因此运营商需要在这些基站塔楼上租用使用空间，由于严格的许可过程，难以建立新的基站，运营商唯一的选择只有更新或更有效地替换天线。可以说，运营商提供数据的成本与无线技术的频谱效率成正比。与其它技术相比，迄今为止，LTE网络具有最高的频谱利用效率，但它仍不足以满足消费者持续连接的需求。那么在已经饱和的无线基础设施中如何有效增加容量？一种方案是在当前工作频率下使用新技术和先进的天线设计。另一种方案是为了保证充足频谱，增加无线基础设施以便使用新的通信频道和更高的通信频率。2015年初，美国运营商花费了超过400亿美元的频谱费用！由于2.5GHz以下的大多数可用频谱有限。因此3.5GHz、28GHz、39GHz以及77GHz几个频段因其可用带宽而进入下一代移动通信的考虑范围。

5G时代即将来临

我们首先要澄清5G的概念目标（图2）。提供数据量的成本对于运营商的生存和成功来说是至关重要的，因此5G基础架构不但要支持更多的设备，而且其成本还要比4G系统更低。基础设施必须提供每秒吉比特（Gbps）以上的峰值数据速率，便于在不同设备密度情况下，满足整个覆盖区域不同用户的体验，同时，支持多频率（包括蜂窝频带和6GHz以上频率），包括使用授权和免授权的频谱，并遵循先进的频谱共享规则。

图2：未来的5G支持以下三种用例：高数据速率、低延迟和海量接入（a），这些用例定义了网络的性能要求（b）

未来5G网络的基础设施需要具备多种不同的功能，并且能够同时在6GHz以下及毫米波频段运行。这些网络将会使用大规模MIMO天线和多载波聚合技术，并且需要以非常低的延迟来“实时”运行。大规模MIMO在基站处拥有数百个天线，能够进行空间复用和波束赋形。与当今正在使用的LTE-Advanced天线相比，这种系统提供了三倍的频谱效率。载波聚合是LTE-Advanced的一个关键功能，运营商正在全球部署，这种技术能更有效地利用频谱，增加网络容量和用户吞吐率，为整合免授权频谱提供了新途径。5G的频段分配主要集中在带宽的可用性上，并且主要围绕着下面三个频段：低于6GHz，15GHz至40GHz，以及高于60GHz。低频和高频组合协调工作对于5G至关重要。较低的频段可用于信号覆盖和控制，而较高的频段可以用来实现高速率的数据传输。虽然毫米波频率具有很高的传播损耗特性，即使在没有障碍物的视距条件下损耗也很大，但这一挑战可以用波束赋形天线阵列或者大规模MIMO来克服。

世界各地的监管政策正努力跟上这些不断变化的新技术。例如：如何分配和管理新的频谱，如何保持网络的中立性，如何保护隐私等一系列复杂问题都需要解决。频谱资源是现在行业内公认的稀缺珍贵资源，从去年美国拍卖3.5GHz小型基站频段就可以看出，美国联邦通讯委员会（FCC）现在已经启用该频谱。随着技术的进步，在6GHz和100GHz之间引入了大量的可用频谱，为小型基站的运行提供了一条新途径。在更高频率下运行的无线信号拥有更宽的信道，可以实现更高的数据速率。小型基站分担宏基站的数据负载，增加了固有信道容量，从而有效改善用户接入密集区域或来自宏基站信号较弱区域的信号质量。最终，通过部署数以百万计的小型基站，大幅增加信道容量。业界正在慢慢克服阻碍小型基站部署的各种困难。这些措施包括：政府法规，获取天线产权和管理权以防止干扰。另一个挑战涉及频谱共享，未来的无线系统（LTE网络和5G网络）享有与规划中频谱系统的接入接口，由频谱接入系统为第一级用户（如政府）、与第二级用户（如授权蜂窝网络）和第三级用户（如非授权用户）共同管理频谱。这样可以更有效地利用频谱，可以让用户轻松地使用频谱。

许多国家都针对5G开展相关试验，重点是各种应场景和使用不同的频率。2017年美国的主要运营商正在重点试验28GHz下的固定宽带。韩国也在28GHz进行试验，为首尔2018年平昌冬季奥运会做准备。日本计划2017年在东京开始试用，分别使用6GHz和28GHz，而且计划在2018年和2019年期间大幅度扩大试点。中国已经宣布在3.5GHz进行5G试验，主要运营商将于今年在7个地点或城市启动5G现场试验。此外，欧盟委员会最近发布了其5G行动计划，于2017年初步试用，2018年进行正式商用测试；将使用3.4GHz到3.8GHz和24.25GHz到27.5GHz频段。然而，受5G标准、技术开发、经济等因素制约，所有这些试验都是非常有针对性的、小规模的。2016年11月这一观点也已经得到了市场研究机构ABI的预测确认，估计5G用户将在2020年达到400万，到2025年将达到3.49亿，在2020年占全部用户的0.04%，2025年为3.6%。

PCB天线

毫无疑问，下一代无线系统（例如LTE-Advanced和5G）的天线将会变得越来越复杂。到2020年移动数据的需求预计将以53%左右的年均增长率增加，有源天线和小型基站将继续部署，用于处理数据吞吐量。这些趋势和相关的增长正在扩大印刷电路板（PCB）材料在天线设计中的使用，对PCB材料的需求与传统蜂窝网络也有所不同。同时，对于研发工程师来说针对5G无线基础设施的设计是全新的课题。这些工程师需要克服多方面挑战，并且需要了解什么性能才能实现其设计目标。

随着额外频段的使用和消费者对更好性能以及更低延迟的需求，与弯曲金属和电缆等竞争技术相比，PCB更具有优势。天线设备制造商（OEM）的设计工程师发现，基于PCB的天线设计缩短了设计周期，并能开发复杂的多层板（MLB）设计。然而，基于PCB的天线设计也存在挑战：如何将功率放大器（PA）和天线集成到一个有源天线的结构中，另外，使用PTFE材料的MLB方法也会带来更高的制造和组装成本。热固性高频材料是MLB设计的理想选择，几乎很少的热固性材料能同时具有低损耗、较低无源互调（PIM）和阻燃性，符合UL 94 V-0标准。

为了应对这些挑战，全球领先的PCB材料供应商罗杰斯公司推出了新的天线级层压板。罗杰斯给出的解决方案结合了阻燃、低损耗热固性电介质和低粗糙度铜箔，并采用了独有的填料系统。材料的介电常数（Dk）为3.0，是天线设计工程师常用的选择，在2.5GHz下的耗散因数（Df）为0.0023。该层压板具有低的介电常数热稳定系数（TCDk），在一定温度范围内提供了较好和一致的电路性能。因为使用了LoPro专利技术的铜箔，使它具有较低的无源互调（PIM<-160dBc）；采用低密度微球技术，使得这种材料比PTFE材料轻30%。它的热膨胀系数（CTE）在X和Y方向上与铜箔相匹配，使其翘曲度达到最小，易于混合MLB结构使用；该材料在-55℃至+288℃的范围内具有30.3ppm/℃的低Z轴CTE，在多层板电路加工中能够获得更可靠的过孔质量（PTH）。无论是当前还是未来的无线系统，这类层压板为有源阵列天线和PCB天线板提供了实用且高效益的解决方案，通过恰当的材料组合，这类层压板材料可提供价格、性能和耐用性的最佳方案。

罗杰斯与其它PCB材料公司一样，不断关注未来市场的趋势和需求。罗杰斯的热固性层压材料已形成一个完整的系列：具有多种厚度，低介电常数和低插入损耗。可以满足小型基站点对点回程无线通信中新兴的PA应用和毫米波应用。罗杰斯即将推出的一款热固性解决方案可满足运营商级Wi-Fi和分布式天线系统（DAS）市场中日益增长的射频需求，该方案能带来更低的损耗、更高的频率、更严格的厚度公差。这些产品通过不同组合能提供最高可靠性和最高质量。PCB制造商也在与时俱进，不断开发的新产品旨在满足5G所需的性能标准，不断适应天线市场的需求。