2019年11月06日 | TDK “LTCC AiP” 设备，使灵活的5G通信系统设计成为可能

继LTE/4G通信之后，第5代移动通信系统“5G”服务已在世界范围内启动。利用毫米波带的电波实现“超高速、大容量”、“多用户同时连接”、“超低延迟”的5G通信中，将会大量设置的小型基站的“多元天线”发挥着极其重要的作用。TDK正在利用在高频元件和模块等制造过程中积累的LTCC技术，开发将多元天线的关键设备天线阵列和BPF（带通滤波器）集合为一体的“LTCC AiP（封装天线）”设备。通过采用低介电常数、低损耗的新型LTCC材料等措施，实现5G通信所需的高特性，同时还具有卓越的量产性、环境耐受性、放热特性等，使灵活的5G通信系统设计成为可能。

 “超高速、大容量”、“多用户同时连接”、“超低延迟”是5G通信的3大特点

具有“超高速、大容量”、“多用户同时连接”、“超低延迟”三大特点的5G通信，作为“万物互联”的IoT/IoE社会的通信基础设施受到了全世界的极大关注。5G通信与过去的移动通信的不同点在于，5G通信采用的是毫米波※带的电波。通信速度高达4G的10倍以上，实现了大容量通信，可在短短数秒内完成高清电影下载。

※一般情况下，毫米波（EHF波）指的是波长1～10mm、频率在30～300GHz范围内的电波。

在5G通信中，将频率约在24～100GHz范围内的电波（包括微波（SHF波）即频率在24 GHz左右的电波）称为毫米波。本文中所提到的毫米波指的也是在这个范围内的电波。
另外，在5G通信中，与该毫米波带一起被利用的还有频率低于6GHz的微波。电波的频率越高，越接近于光的性质，直线度增强，接收距离变短。因此，在采用毫米波电波的5G通信中，基站可覆盖的通信区域小于LTE/4G。因此，如下图所示，5G通信是通过叠加结构的网络来提供服务的，这种叠加结构是在涵盖现有LTE/4G及以下级别通信的宏基站上重叠设置大量涵盖5G通信的小基站而构成的。

通过在现有宏基站(～LTE/4G）上重叠设置（叠加）大量小基站（5G），维持顺畅的通信。

5G在具有超高速、大容量的特点的同时，还利用后面将要提到的一种名为“波束成形”的技术，实现在每平方千米范围内同时连接100万台客户端的多用户同时连接功能。此外，通信延迟几乎为零的超低延迟也是其一大特点。通过这些技术，在诸如汽车和机械的远程操控中，可实现丝毫感觉不到延时的无缝操作。同时，通过与机器人技术的融合，有望在远程手术等方面大展拳脚。5G能够使传统通信不可能实现的多种多样的应用成为可能，但在实用化和普及方面，还存在很多需要解决的技术课题。

多元天线和波束成形是5G通信的关键技术

在克服电波接收距离短这一难题的同时，可同时连接多个客户端而无延迟现象的5G关键技术，是基站的“多元天线”和“波束成形”。多元天线是由数量在10～100以上的大量天线元件组成的多功能天线，通过控制由天线元件发射的信号的位相等，使电波以波束的形式射向远方，同时将电波定点输送至数量众多的各个客户端。这便是被称为波束成形的技术。

Small Cell基站的多元天线向5G客户端定点发送波束状电波。由此，不仅能克服毫米波电波接收距离短的问题，还可实现多用户同时连接功能。

应用于多元天线的TDK的LTCC技术

在面向5G基站的多元天线方面，已经开发出了将多个天线元件按矩阵状排列的平面阵列天线。在平面阵列天线中，每个天线元件按所用电波的约二分之一波长为间隔进行搭载。例如，频率为20GHz的电波的元件间隔为约7.5mm，16×16=256个元件组成的平面阵列天线的尺寸是长约12cm的正方形。若频率高于20GHz，则在相同的面积中可以集积更多数量的天线元件。但阵列天线还连接有BPF（带通滤波器）和IC等元件，因此系统整体的小型化与阵列天线的制造方法有着极大的关系。另外，毫米波容易被障碍物屏蔽，要在高楼林立的街道和大型购物中心等场所维持稳定的通信，需要设置大量的小型基站，并要求采用能够以低廉的成本量产作为关键设备的多元天线的制造方法。而作为这方面较为恰当的制造方法而重新受到人们关注的，是LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics：低温烧成陶瓷)工艺。LTCC工艺是在高频元件、模块等制造过程中开发出来的积层陶瓷基板工艺。BPF等滤波器在原理上是由电感器（L）和电容器（C）组合而成的回路，但在高频领域不能使用片式电感器和片式电容器之类的分立元件（单个元件）。因此，如下列模式图所示，在介电陶瓷薄板上形成金属导体的微细电路（微带线），通过该导体线路，发挥其作为电感器和电容器的功能，制造BPF等高频元件和模块。

电容器层采用的是高介电系数的陶瓷材料、电感器层采用的是低介电系数的陶瓷材料，因所采用的薄板材质不同，将这些材料进行共烧需要非常高的技术。

在高频领域，导体线路中的电阻成分会降低滤波器的特性，因此导体采用的是电阻较小的银（Ag）。但银的熔点是960℃，若按普通的陶瓷烧成温度（1300℃左右）进行烧成，导体线路便会熔化变形。因此，为了保证能在低于银熔点的低温（约900℃）条件下完成烧成，一种在氧化铝基陶瓷材料中添加特殊玻璃成分的基板材料被开发出来。LTCC工艺便是利用该低温烧成陶瓷基板，对电感器部和电容器部的导体线路进行丝网印刷，然后将其层叠起来进行低温烧成。

将天线元件与BPF集合为一体的“LTCC AiP设备”

在采用LTCC工艺制造高频元件和模块时，为实现小型化和提高特性，要使用不同材质的陶瓷薄板，即电容器层采用的是高介电系数的陶瓷薄板，电感器层采用的是低介电系数的陶瓷薄板。但是，若将这些薄板层叠并共烧的话，会因热膨胀率等不同而出现翘曲和剥离等问题。TDK最先确立了“不同材质共烧技术”这种高端的LTCC工艺，解决了这一难题，并实现了用于移动通信客户端的高频滤波器和前端模块等的产品化并投入市场。利用以该不同材质共烧技术为代表的常年积累下来的LTCC技术，面向5G通信基站的多元天线开发出来的，是TDK的“LTCC AiP（封装天线）”设备。如下列产品外观和截面图所示，这是一种通过LTCC工艺将4×4的天线元件与BPF集合为一体（AiP）的复合型设备。可将天线元件与BPF在同一制程集合为一体，并制造出用于实现阵列天线的大型基板，这是只有LTCC工艺才有的优越性（可根据用途提供仅有天线元件的产品或仅有BPF的产品）。

天线层采用低介电系数、BPF层采用低损耗（高Q特性）的新型LTCC材料被开发出来并得到应用，从而使毫米波带也能得到更高的收益（利润），这是LTCC AiP设备的一大特点。另外，与采用树脂基板的产品相比，LTCC AiP设备的优势是具有卓越的环境耐受性和放热特性，且设计的自由度高。另外，还可轻松应对26GHz帯、28GHz帯、39GHz帯等各种频段，用于5G通信基站RF信号收发回路的多元天线，可发挥优异的性能。 TDK还计划利用毫米波电波暗室等，为客户提供内置于套件后的特性评估和调整支持等服务。