隨著5G通信技術來襲，電磁干擾問題如何解決？

2020-06-19 09:02 預計 11 分鐘讀完隨著 5G 通信技術的誕生和發展，高速電子設備集成度和時鐘頻率逐漸升高，日漸復雜的電磁環境使得電子設備飽受電磁干擾的影響，這在 5G 通信天線系統和芯片封裝中表現尤為突出。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“兼容并畜”，成為通信技術發展革新的一項重要挑戰。

天線作為無線通信系統中的核心部件，其所處的電磁環境一直備受關注。要達到 5G 通信系統的高速率、低延時、高可靠性和高容量等性能目標，首先要解決天線系統中的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）問題。一方面，無論是基站天線系統還是移動終端天線系統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中其他模塊產生的同頻、鄰頻電磁噪聲尤為敏感，這都大大影響了天線的工作性能。

在傳統移動通信系統中，聲表面波（Surface Acoustic Wave， SAW）濾波器和介質濾波器通常用來進行系統雜散信號的抑制。但由于介質濾波器龐大的體積與系統高集成度、便攜等設計思想相悖，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，也不能滿足當前移動通信的要求。面對 5G 通信天線系統中電磁兼容這只“攔路虎”，尋找新的解決方案已是迫在眉睫。

5G 通信系統信號傳輸率較高，這對芯片系統級封裝設計，尤其是封裝互連線設計提出更高要求，其中電磁兼容問題也變得愈發嚴峻。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，不可避免地會出現電磁兼容問題。

芯片是 5G 通信系統的“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。由于大多數芯片在批量流片前都會進行相關測試，其內部問題已經徹底解決，所以芯片系統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、傳導耦合和輻射場耦合等。因此，面對 5G 通信芯片系統中電磁干擾的問題，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、保護易感設備 3 個方面尋找解決方案。

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

5G 通信天線系統中電磁兼容解決方案

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

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

針對 5G 通信天線系統中信號入射角度超過 60 度就不穩定的科學難題，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，結構如圖 1 所示。該結構由貼附于一層超薄介質上下表面的兩金屬層結構組成。該 SC-FSS 概念依托于電路物理學理論，突破了傳統基于波動物理學的 FSS 角度不穩定的瓶頸，彌補了過去十年間角度穩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，其不同入射角度下的傳輸響應如圖 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，實現對雜散信號的屏蔽。同時可以發現在 0～84 度（最理想為 90 度）的角度范圍內實現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，從而導致輻射超標。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）結構和吸收體結構是合適的選擇。在芯片系統中，如何實現 EBG 結構和吸收體結構的小型化、提高它們的吸波性能是亟待解決的問題。

EBG 結構在設計上主要依據縫隙波導理論，除自身具有較寬的電磁阻帶和較高的抑制性能以外，EBG 結構還擁有結構簡單、成本造價低、加工工藝成熟以及便于系統集成等優點，因此近年來得到廣泛關注，并被用于微波、毫米波電路系統的設計中。

吸收體結構在設計上主要依托 S 屏（Salisbury Screen）理論。對于吸收結構的小型化而言，可以將超表面和吸收體結構相結合，使得吸收體的尺寸進一步縮小。基于超表面的吸收體結構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點，在電磁領域應用廣泛。

針對 5G 通信芯片系統中的電磁干擾問題，課題團隊提出基于互補開口環諧振器和交指電容的新型 EBG 結構以及基于超表面的吸收體結構，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到 5 分貝以上，這為其在芯片系統中的應用提供了可能。

課題團隊提出基于 SC-FSS 理論概念設計的全角、全極化不敏感高性能天線罩，以及基于互補開口諧振環和交指電容的新型 EBG 結構、基于超表面的吸收體結構，為解決 5G 通信天線系統和芯片系統中的電磁兼容問題開辟了新道路，相關成果獲得學術界與工程界的高度認可，在眾多 5G 通信企業實現了產業化，產生了巨大的經濟效益。

對于天線系統中多種通信標準協議的兼并，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，當前反射型天線罩屏蔽方案存在對天線系統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，傳統的摩爾定律受到嚴峻挑戰，在此情況下，先進的封裝形式和集成技術作為延續乃至超越摩爾定律的重要技術路線必然是未來研究的重中之重。未來，課題團隊將繼續聚焦通信技術發展的前沿課題，針對電磁輻射防護與電磁兼容方面的關鍵技術開展攻關，提出滿足實際應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中的電磁干擾難題