5G通信技术来袭,电磁干扰问题如何解决?

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随着 5G 通信技术的诞生和发展,高速电子设备集成度和时钟频率逐渐升高,日渐复杂的电磁环境使得电子设备饱受电磁干扰的影响,这在 5G 通信天线系统和芯片封装中表现尤为突出。如何有效利用电磁信号传播,同时抑制有害的电磁辐射,进而实现“兼容并畜”,成为通信技术发展革新的一项重要挑战。


天线作为无线通信系统中的核心部件,其所处的电磁环境一直备受关注。要达到 5G 通信系统的高速率、低延时、高可靠性和高容量等性能目标,首先要解决天线系统中的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)问题。一方面,无论是基站天线系统还是移动终端天线系统都难逃带外杂散信号的干扰;另一方面,天线模块对通信系统中其他模块产生的同频、邻频电磁噪声尤为敏感,这都大大影响了天线的工作性能。


在传统移动通信系统中,声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)滤波器和介质滤波器通常用来进行系统杂散信号的抑制。但由于介质滤波器庞大的体积与系统高集成度、便携等设计思想相悖,随着频率的升高,SAW 滤波器的性能逐渐恶化,只能应用于低频段通信。此外,由于体声波(Bulk Acoustic Wave, BAW)滤波器对倍频处杂散信号抑制能力不足,也不能满足当前移动通信的要求。面对 5G 通信天线系统中电磁兼容这只“拦路虎”,寻找新的解决方案已是迫在眉睫。


5G 通信系统信号传输率较高,这对芯片系统级封装设计,尤其是封装互连线设计提出更高要求,其中电磁兼容问题也变得愈发严峻。一方面,由于 5G 通信具有较高的频段,芯片封装的尺寸可以比拟工作波长,其天线辐射 / 接受效应变得明显;另一方面,由于芯片封装尺寸的减小,芯片封装上各模块所占空间越来越拥挤,不可避免地会出现电磁兼容问题。


芯片是 5G 通信系统的“大脑”,芯片中的集成电路通常是引起电磁兼容问题的主要源头,但同时,集成电路也最容易受到电磁干扰。由于大多数芯片在批量流片前都会进行相关测试,其内部问题已经彻底解决,所以芯片系统中绝大部分电磁兼容问题的研究都集中在芯片的外部耦合。电磁噪声进出集成电路的主要途径有电场耦合、磁场耦合、传导耦合和辐射场耦合等。因此,面对 5G 通信芯片系统中电磁干扰的问题,需要清楚地了解电磁干扰噪声耦合进或耦合出芯片的具体途径,从电磁干扰源头、耦合路径、保护易感设备 3 个方面寻找解决方案。


为解决 5G 通信系统电磁波传播面临的电磁干扰问题,浙江大学课题团队开展了电磁辐射抑制研究,提出了面向 5G 通信天线系统和 5G 通信芯片封装的电磁兼容解决方案。

5G 通信天线系统中电磁兼容解决方案
传统天线罩往往只是采用介质材料来保护天线以及整个通信系统的外壳免受环境影响。面对天线系统中日益加剧的电磁兼容问题,能不能在传统的天线罩基础上引入新的设计理念,通过有电磁特性的天线罩设计来屏蔽电磁干扰?近年来,对电磁波进行调控的人工电磁超表面研究取得了众多突破,使得兼具结构韧性和电磁特性的高性能天线罩设计成为可能。作为一种典型的人工电磁超表面,频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)技术具有剖面低、成本廉价和加工工艺成熟等诸多优点,在微波器件的电磁屏蔽、雷达隐身和天线反射体等领域应用广泛。


大量专家学者对频率选择表面进行了深入研究,由简单的单阶谐振结构到结构复杂的多阶宽带宽、可调功能实现,再到工作带边沿陡降性研究,取得了一系列技术突破。但是,众多的研究都是基于电磁波垂直入射的情况进行的。随着通信技术的高速发展,实际应用需要基于 FSS 设计的功能器件对入射角度不敏感,才能保证所属系统的高性能工作。然而 FSS 结构往往对入射角度很敏感,随着入射角度的改变,FSS 的工作频率将会发生偏移,造成系统性能的下降,使得提高频率选择表面的角度性能成为一大挑战。此外,随着芯片封装等功能器件向高集成度方向的发展,传统基于波动物理谐振的频率选择表面结构尺寸需要同工作频率波长相比拟,导致结构庞大,不利于工程实现,加之系统小型化需求日趋强烈,这使得可应用于移动终端等狭小空间内的超小型化超薄 FSS 结构设计成为另一大挑战。因此,设计出一种对入射电磁波全角不敏感的超小型化、超薄 FSS 结构,对于新一代移动通信技术的发展至关重要。


针对 5G 通信天线系统中信号入射角度超过 60 度就不稳定的科学难题,课题团队提出一种基于全新的强电磁耦合频率选择表面(Strong Coupled Frequency Selective Surface, SC-FSS)理念的全角、全极化不敏感的高性能天线罩,结构如图 1 所示。该结构由贴附于一层超薄介质上下表面的两金属层结构组成。该 SC-FSS 概念依托于电路物理学理论,突破了传统基于波动物理学的 FSS 角度不稳定的瓶颈,弥补了过去十年间角度稳定研究唯小型化理论的不足。

 

 

课题团队对该天线罩模型进行了加工,通过自由空间测试方法,在微波暗室对该模型进行了测试,其不同入射角度下的传输响应如图 2 所示。在 2 千兆赫处形成通带,可以使得天线工作信号以很低的损耗通过天线罩,而对 3.4 千兆赫附近的信号则具有很强的抑制作用,实现对杂散信号的屏蔽。同时可以发现在 0~84 度(最理想为 90 度)的角度范围内实现传输零点和传输极点对入射角度、极化角度的不敏感。

 


5G 通信芯片封装中电磁兼容解决方案
在 5G 通信芯片系统中,封装盖 / 散热器与芯片封装基板之间很容易形成谐振腔。而为了给电路系统中的线缆、元器件提供足够的空间,通常在封装盖 / 散热器与芯片封装基板之间留出一些缝隙,这使得电磁辐射可能通过这些缝隙泄露出去,从而导致辐射超标。常用的解决办法是破坏原有的谐振条件,或者吸收损耗这些噪声能量,因此电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构和吸收体结构是合适的选择。在芯片系统中,如何实现 EBG 结构和吸收体结构的小型化、提高它们的吸波性能是亟待解决的问题。


EBG 结构在设计上主要依据缝隙波导理论,除自身具有较宽的电磁阻带和较高的抑制性能以外,EBG 结构还拥有结构简单、成本造价低、加工工艺成熟以及便于系统集成等优点,因此近年来得到广泛关注,并被用于微波、毫米波电路系统的设计中。


吸收体结构在设计上主要依托 S 屏(Salisbury Screen)理论。对于吸收结构的小型化而言,可以将超表面和吸收体结构相结合,使得吸收体的尺寸进一步缩小。基于超表面的吸收体结构具有辐射抑制性能高、尺寸小、成本低廉以及加工工艺成熟等诸多优点,在电磁领域应用广泛。


针对 5G 通信芯片系统中的电磁干扰问题,课题团队提出基于互补开口环谐振器和交指电容的新型 EBG 结构以及基于超表面的吸收体结构,分别如图 3 和图 4 所示。它们的厚度可以做到小于 1 毫米,在 10 千兆赫处的吸收性能均可达到 5 分贝以上,这为其在芯片系统中的应用提供了可能。

 

 


课题团队提出基于 SC-FSS 理论概念设计的全角、全极化不敏感高性能天线罩,以及基于互补开口谐振环和交指电容的新型 EBG 结构、基于超表面的吸收体结构,为解决 5G 通信天线系统和芯片系统中的电磁兼容问题开辟了新道路,相关成果获得学术界与工程界的高度认可,在众多 5G 通信企业实现了产业化,产生了巨大的经济效益。


对于天线系统中多种通信标准协议的兼并,课题团队下一步将进行多频带全角、全极化不敏感的高性能天线罩探索研究。与此同时,当前反射型天线罩屏蔽方案存在对天线系统进行二次辐射干扰的可能,因此超低通带插入损耗的吸收型天线罩将是高性能天线罩的发展新方向。另外,随着集成电路特征尺寸不断缩小并进入纳米尺度,传统的摩尔定律受到严峻挑战,在此情况下,先进的封装形式和集成技术作为延续乃至超越摩尔定律的重要技术路线必然是未来研究的重中之重。未来,课题团队将继续聚焦通信技术发展的前沿课题,针对电磁辐射防护与电磁兼容方面的关键技术开展攻关,提出满足实际应用的电磁辐射抑制解决方案,最终彻底解决 5G 以及未来新一代通信系统中的电磁干扰难题。

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