5G通信技術(shù)來襲，電磁干擾問題如何解決

來源：RF技術(shù)社區(qū)

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隨著5G通信技術(shù)的誕生和發(fā)展，高速電子設(shè)備集成度和時鐘頻率逐漸升高，日漸復(fù)雜的電磁環(huán)境使得電子設(shè)備飽受電磁干擾的影響，這在 5G 通信天線系統(tǒng)和芯片封裝中表現(xiàn)尤為突出。如何有效利用電磁信號傳播，同時抑制有害的電磁輻射，進而實現(xiàn)“兼容并畜”，成為通信技術(shù)發(fā)展革新的一項重要挑戰(zhàn)。

天線作為無線通信系統(tǒng)中的核心部件，其所處的電磁環(huán)境一直備受關(guān)注。要達到 5G 通信系統(tǒng)的高速率、低延時、高可靠性和高容量等性能目標(biāo)，首先要解決天線系統(tǒng)中的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）問題。一方面，無論是基站天線系統(tǒng)還是移動終端天線系統(tǒng)都難逃帶外雜散信號的干擾；另一方面，天線模塊對通信系統(tǒng)中其他模塊產(chǎn)生的同頻、鄰頻電磁噪聲尤為敏感，這都大大影響了天線的工作性能。

在傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)中，聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）濾波器和介質(zhì)濾波器通常用來進行系統(tǒng)雜散信號的抑制。但由于介質(zhì)濾波器龐大的體積與系統(tǒng)高集成度、便攜等設(shè)計思想相悖，隨著頻率的升高，SAW 濾波器的性能逐漸惡化，只能應(yīng)用于低頻段通信。此外，由于體聲波（Bulk Acoustic Wave, BAW）濾波器對倍頻處雜散信號抑制能力不足，也不能滿足當(dāng)前移動通信的要求。面對 5G 通信天線系統(tǒng)中電磁兼容這只“攔路虎”，尋找新的解決方案已是迫在眉睫。

5G 通信系統(tǒng)信號傳輸率較高，這對芯片系統(tǒng)級封裝設(shè)計，尤其是封裝互連線設(shè)計提出更高要求，其中電磁兼容問題也變得愈發(fā)嚴峻。一方面，由于 5G 通信具有較高的頻段，芯片封裝的尺寸可以比擬工作波長，其天線輻射 / 接受效應(yīng)變得明顯；另一方面，由于芯片封裝尺寸的減小，芯片封裝上各模塊所占空間越來越擁擠，不可避免地會出現(xiàn)電磁兼容問題。

芯片是 5G 通信系統(tǒng)的“大腦”，芯片中的集成電路通常是引起電磁兼容問題的主要源頭，但同時，集成電路也最容易受到電磁干擾。由于大多數(shù)芯片在批量流片前都會進行相關(guān)測試，其內(nèi)部問題已經(jīng)徹底解決，所以芯片系統(tǒng)中絕大部分電磁兼容問題的研究都集中在芯片的外部耦合。電磁噪聲進出集成電路的主要途徑有電場耦合、磁場耦合、傳導(dǎo)耦合和輻射場耦合等。因此，面對 5G 通信芯片系統(tǒng)中電磁干擾的問題，需要清楚地了解電磁干擾噪聲耦合進或耦合出芯片的具體途徑，從電磁干擾源頭、耦合路徑、保護易感設(shè)備 3 個方面尋找解決方案。

為解決 5G 通信系統(tǒng)電磁波傳播面臨的電磁干擾問題，浙江大學(xué)課題團隊開展了電磁輻射抑制研究，提出了面向 5G 通信天線系統(tǒng)和 5G 通信芯片封裝的電磁兼容解決方案。

5G 通信天線系統(tǒng)中電磁兼容解決方案
傳統(tǒng)天線罩往往只是采用介質(zhì)材料來保護天線以及整個通信系統(tǒng)的外殼免受環(huán)境影響。面對天線系統(tǒng)中日益加劇的電磁兼容問題，能不能在傳統(tǒng)的天線罩基礎(chǔ)上引入新的設(shè)計理念，通過有電磁特性的天線罩設(shè)計來屏蔽電磁干擾？近年來，對電磁波進行調(diào)控的人工電磁超表面研究取得了眾多突破，使得兼具結(jié)構(gòu)韌性和電磁特性的高性能天線罩設(shè)計成為可能。作為一種典型的人工電磁超表面，頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）技術(shù)具有剖面低、成本廉價和加工工藝成熟等諸多優(yōu)點，在微波器件的電磁屏蔽、雷達隱身和天線反射體等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

大量專家學(xué)者對頻率選擇表面進行了深入研究，由簡單的單階諧振結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多階寬帶寬、可調(diào)功能實現(xiàn)，再到工作帶邊沿陡降性研究，取得了一系列技術(shù)突破。但是，眾多的研究都是基于電磁波垂直入射的情況進行的。隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，實際應(yīng)用需要基于 FSS 設(shè)計的功能器件對入射角度不敏感，才能保證所屬系統(tǒng)的高性能工作。然而 FSS 結(jié)構(gòu)往往對入射角度很敏感，隨著入射角度的改變，F(xiàn)SS 的工作頻率將會發(fā)生偏移，造成系統(tǒng)性能的下降，使得提高頻率選擇表面的角度性能成為一大挑戰(zhàn)。此外，隨著芯片封裝等功能器件向高集成度方向的發(fā)展，傳統(tǒng)基于波動物理諧振的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)尺寸需要同工作頻率波長相比擬，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大，不利于工程實現(xiàn)，加之系統(tǒng)小型化需求日趨強烈，這使得可應(yīng)用于移動終端等狹小空間內(nèi)的超小型化超薄 FSS 結(jié)構(gòu)設(shè)計成為另一大挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計出一種對入射電磁波全角不敏感的超小型化、超薄 FSS 結(jié)構(gòu)，對于新一代移動通信技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

針對 5G 通信天線系統(tǒng)中信號入射角度超過 60 度就不穩(wěn)定的科學(xué)難題，課題團隊提出一種基于全新的強電磁耦合頻率選擇表面（Strong Coupled Frequency Selective Surface, SC-FSS）理念的全角、全極化不敏感的高性能天線罩。該結(jié)構(gòu)由貼附于一層超薄介質(zhì)上下表面的兩金屬層結(jié)構(gòu)組成。該 SC-FSS 概念依托于電路物理學(xué)理論，突破了傳統(tǒng)基于波動物理學(xué)的 FSS 角度不穩(wěn)定的瓶頸，彌補了過去十年間角度穩(wěn)定研究唯小型化理論的不足。

課題團隊對該天線罩模型進行了加工，通過自由空間測試方法，在微波暗室對該模型進行了測試，在 2 千兆赫處形成通帶，可以使得天線工作信號以很低的損耗通過天線罩，而對 3.4 千兆赫附近的信號則具有很強的抑制作用，實現(xiàn)對雜散信號的屏蔽。同時可以發(fā)現(xiàn)在 0～84 度（最理想為 90 度）的角度范圍內(nèi)實現(xiàn)傳輸零點和傳輸極點對入射角度、極化角度的不敏感。

5G 通信芯片封裝中電磁兼容解決方案
在 5G 通信芯片系統(tǒng)中，封裝蓋 / 散熱器與芯片封裝基板之間很容易形成諧振腔。而為了給電路系統(tǒng)中的線纜、元器件提供足夠的空間，通常在封裝蓋 / 散熱器與芯片封裝基板之間留出一些縫隙，這使得電磁輻射可能通過這些縫隙泄露出去，從而導(dǎo)致輻射超標(biāo)。常用的解決辦法是破壞原有的諧振條件，或者吸收損耗這些噪聲能量，因此電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap, EBG）結(jié)構(gòu)和吸收體結(jié)構(gòu)是合適的選擇。在芯片系統(tǒng)中，如何實現(xiàn) EBG 結(jié)構(gòu)和吸收體結(jié)構(gòu)的小型化、提高它們的吸波性能是亟待解決的問題。

EBG 結(jié)構(gòu)在設(shè)計上主要依據(jù)縫隙波導(dǎo)理論，除自身具有較寬的電磁阻帶和較高的抑制性能以外，EBG 結(jié)構(gòu)還擁有結(jié)構(gòu)簡單、成本造價低、加工工藝成熟以及便于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，因此近年來得到廣泛關(guān)注，并被用于微波、毫米波電路系統(tǒng)的設(shè)計中。

吸收體結(jié)構(gòu)在設(shè)計上主要依托 S 屏（Salisbury Screen）理論。對于吸收結(jié)構(gòu)的小型化而言，可以將超表面和吸收體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得吸收體的尺寸進一步縮小?；诔砻娴奈阵w結(jié)構(gòu)具有輻射抑制性能高、尺寸小、成本低廉以及加工工藝成熟等諸多優(yōu)點，在電磁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

針對 5G 通信芯片系統(tǒng)中的電磁干擾問題，課題團隊提出基于互補開口環(huán)諧振器和交指電容的新型 EBG 結(jié)構(gòu)以及基于超表面的吸收體結(jié)構(gòu)。它們的厚度可以做到小于 1 毫米，在 10 千兆赫處的吸收性能均可達到 5 分貝以上，這為其在芯片系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。

課題團隊提出基于 SC-FSS 理論概念設(shè)計的全角、全極化不敏感高性能天線罩，以及基于互補開口諧振環(huán)和交指電容的新型 EBG 結(jié)構(gòu)、基于超表面的吸收體結(jié)構(gòu)，為解決 5G 通信天線系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)中的電磁兼容問題開辟了新道路，相關(guān)成果獲得學(xué)術(shù)界與工程界的高度認可，在眾多 5G 通信企業(yè)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。

對于天線系統(tǒng)中多種通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兼并，課題團隊下一步將進行多頻帶全角、全極化不敏感的高性能天線罩探索研究。與此同時，當(dāng)前反射型天線罩屏蔽方案存在對天線系統(tǒng)進行二次輻射干擾的可能，因此超低通帶插入損耗的吸收型天線罩將是高性能天線罩的發(fā)展新方向。另外，隨著集成電路特征尺寸不斷縮小并進入納米尺度，傳統(tǒng)的摩爾定律受到嚴峻挑戰(zhàn)，在此情況下，先進的封裝形式和集成技術(shù)作為延續(xù)乃至超越摩爾定律的重要技術(shù)路線必然是未來研究的重中之重。未來，課題團隊將繼續(xù)聚焦通信技術(shù)發(fā)展的前沿課題，針對電磁輻射防護與電磁兼容方面的關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，提出滿足實際應(yīng)用的電磁輻射抑制解決方案，最終徹底解決 5G 以及未來新一代通信系統(tǒng)中的電磁干擾難題。

審核編輯黃昊宇