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5G通信技術(shù)來(lái)襲，電磁干擾問(wèn)題如何解決？

時(shí)間：2020-06-19 14:56:42
關(guān)鍵字： 電磁干擾    通信技術(shù)   
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[導(dǎo)讀]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(shí)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(hào)傳播，同時(shí)抑制有害的電磁輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“兼容并畜”，成為通信



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(shí)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(hào)傳播，同時(shí)抑制有害的電磁輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“兼容并畜”，成為通信技術(shù)發(fā)展革新的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。



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天線作為無(wú)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(dá)到5G通信系統(tǒng)的高速率、低延時(shí)、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(wèn)題。一方面，無(wú)論是基站天線系統(tǒng)還是移動(dòng)終端天線系統(tǒng)都難逃帶外雜散信號(hào)的干擾；另一方面，天線模塊對(duì)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(dòng)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(lái)進(jìn)行系統(tǒng)雜散信號(hào)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(jì)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(duì)倍頻處雜散信號(hào)抑制能力不足，也不能滿足當(dāng)前移動(dòng)通信的要求。面對(duì)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(hào)傳輸率較高，這對(duì)芯片系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)，尤其是封裝互連線設(shè)計(jì)提出更高要求，其中電磁兼容問(wèn)題也變得愈發(fā)嚴(yán)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(zhǎng)，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(lái)越擁擠，不可避免地會(huì)出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)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(wèn)題的主要源頭，但同時(shí)，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(huì)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，其內(nèi)部問(wèn)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(wèn)題的研究都集中在芯片的外部耦合。電磁噪聲進(jìn)出集成電路的主要途徑有電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合、傳導(dǎo)耦合和輻射場(chǎng)耦合等。因此，面對(duì)5G通信芯片系統(tǒng)中電磁干擾的問(wèn)題，需要清楚地了解電磁干擾噪聲耦合進(jìn)或耦合出芯片的具體途徑，從電磁干擾源頭、耦合路徑、保護(hù)易感設(shè)備3個(gè)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(wèn)題，浙江大學(xué)課題團(tuán)隊(duì)開(kāi)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。
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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(lái)保護(hù)天線以及整個(gè)通信系統(tǒng)的外殼免受環(huán)境影響。面對(duì)天線系統(tǒng)中日益加劇的電磁兼容問(wèn)題，能不能在傳統(tǒng)的天線罩基礎(chǔ)上引入新的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)有電磁特性的天線罩設(shè)計(jì)來(lái)屏蔽電磁干擾？近年來(lái)，對(duì)電磁波進(jìn)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(jì)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(jià)和加工工藝成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)，在微波器件的電磁屏蔽、雷達(dá)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(duì)頻率選擇表面進(jìn)行了深入研究，由簡(jiǎn)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(shí)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(jìn)行的。隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用需要基于FSS設(shè)計(jì)的功能器件對(duì)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(duì)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(huì)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(dòng)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(zhǎng)相比擬，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)龐大，不利于工程實(shí)現(xiàn)，加之系統(tǒng)小型化需求日趨強(qiáng)烈，這使得可應(yīng)用于移動(dòng)終端等狹小空間內(nèi)的超小型化超薄FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為另一大挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)出一種對(duì)入射電磁波全角不敏感的超小型化、超薄FSS結(jié)構(gòu)，對(duì)于新一代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
針對(duì)5G通信天線系統(tǒng)中信號(hào)入射角度超過(guò)60度就不穩(wěn)定的科學(xué)難題，課題團(tuán)隊(duì)提出一種基于全新的強(qiáng)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，結(jié)構(gòu)如圖1所示。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(dòng)物理學(xué)的FSS角度不穩(wěn)定的瓶頸，彌補(bǔ)了過(guò)去十年間角度穩(wěn)定研究唯小型化理論的不足。
5G通信技術(shù)來(lái)襲，電磁干擾問(wèn)題如何解決？
課題團(tuán)隊(duì)對(duì)該天線罩模型進(jìn)行了加工，通過(guò)自由空間測(cè)試方法，在微波暗室對(duì)該模型進(jìn)行了測(cè)試，其不同入射角度下的傳輸響應(yīng)如圖2所示。在2千兆赫處形成通帶，可以使得天線工作信號(hào)以很低的損耗通過(guò)天線罩，而對(duì)3.4千兆赫附近的信號(hào)則具有很強(qiáng)的抑制作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散信號(hào)的屏蔽。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在0～84度（最理想為90度）的角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)和傳輸極點(diǎn)對(duì)入射角度、極化角度的不敏感。
5G通信技術(shù)來(lái)襲，電磁干擾問(wèn)題如何解決？
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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(guò)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(shí)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(wèn)題。
EBG結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、成本造價(jià)低、加工工藝成熟以及便于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)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(jì)中。
吸收體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上主要依托S屏（Salisbury Screen）理論。對(duì)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(jìn)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(diǎn)，在電磁領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
針對(duì)5G通信芯片系統(tǒng)中的電磁干擾問(wèn)題，課題團(tuán)隊(duì)提出基于互補(bǔ)開(kāi)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)，分別如圖3和圖4所示。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(dá)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。
5G通信技術(shù)來(lái)襲，電磁干擾問(wèn)題如何解決？
5G通信技術(shù)來(lái)襲，電磁干擾問(wèn)題如何解決？
課題團(tuán)隊(duì)提出基于SC-FSS理論概念設(shè)計(jì)的全角、全極化不敏感高性能天線罩，以及基于互補(bǔ)開(kāi)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(wèn)題開(kāi)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(rèn)可，在眾多5G通信企業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于天線系統(tǒng)中多種通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兼并，課題團(tuán)隊(duì)下一步將進(jìn)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(shí)，當(dāng)前反射型天線罩屏蔽方案存在對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)入納米尺度，傳統(tǒng)的摩爾定律受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在此情況下，先進(jìn)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(lái)研究的重中之重。未來(lái)，課題團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦通信技術(shù)發(fā)展的前沿課題，針對(duì)電磁輻射防護(hù)與電磁兼容方面的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)，提出滿足實(shí)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(lái)新一代通信系統(tǒng)中的電磁干擾難題。
致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“先進(jìn)三維集成系統(tǒng)級(jí)封裝的電熱問(wèn)題與高速信號(hào)傳輸特性研究”（項(xiàng)目編號(hào)：61571395）的支持。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2020年4月刊。
專家簡(jiǎn)介
李爾平 ： IEEE 會(huì)士、長(zhǎng)江學(xué)者，浙江大學(xué)-伊利諾伊大學(xué)聯(lián)合學(xué)院院長(zhǎng) 。
李天武：浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士生。
靳航：浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士生。
秦鵬飛：浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院博士生 。
作者：李爾平、李天武
來(lái)源：悅智網(wǎng)

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