AiP 是通过封装材料与工艺 , 将天线集成在携带芯片的封装内 . 封装天线技术继承和发扬了微带天线、多芯片电路模块及瓦片式相控阵天线结构的集成概念 , 将天线触角伸向集成电路、封装与新型材料等领域.相比于 AoC, AiP 将多种器件与电路集成在一个封装内 , 完成片上天线难以实现的复杂功能和特定的系统级封装 , 有效避免了半导体衬底的低电阻率带来的增益损耗问题 , 天线辐射效率一般达到 80% 以上 .封装形式有芯片直接贴装 (direct chip attach, DCA) 、焊盘阵列封装(land grid array, LGA)、四侧无引线扁平封装(quad flat no lead, QFN) 、嵌入式晶圆级球栅阵列 (embedded wafer level ball grid array, eWLB) 封装 ,以及基于低温共烧陶瓷 (low temperature co-fired ceramics, LTCC) 封装 .将厚膜技术实现的天线阵列同射频芯片通过金丝键合封装到一个QFN 封装里面 , 实现了中心频率 122 GHz, 带宽 12 GHz, 最大增益 11.5 dBi 的封装天线.图 2 是一种四单元有源阵列封装天线样品 , 中心频率 10 GHz, 带宽 4 GHz, 单通道脉冲功率 5 W。
图 2 (网络版彩图) 一种封装天线样品
SiP 采用绝缘衬底上的硅 (silicon-on-insulator, SOI) 工艺和 QFN 封装技术 ,将片上天线和封装天线相结合 , 在 54.5∼63.4 GHz 的频率范围内 , 实现了最大 8 dBi 的天线增益 . 偶极子天线利用eWLB 封装内部的再分布层 (redistribution layer) 来实现 , 并在封装外部设计了一个介质透镜来提高天线增益 ,该天线在未安装透镜时的增益为 5.9 dBi, 安装上透镜后 , 增益提升到 13.7 dBi。
瓦片式阵列天线的结构特点是多功能电路板同时作为封装外壳的主体 , 其往往不使用或很少使用高频、低频接插件. 采用瓦片式阵列可以大幅度降低天线系统的厚度 , 极大减少连接器和电缆的使用数量 . 射频模块可选择商用微波封装和制造技术 , 进一步降低成本 . 这种瓦片式阵列架构采用工业标准的 QFN 封装 , 将有源电路层直接焊接在一个廉价印制电路板 (printed circuit board, PCB)上 , 然后再直接焊接到瓦片天线阵面的背部 . 瓦片式阵列天线如图 3 所示 。
图 3 (网络版彩图) 瓦片式阵列天线示意图
在集成电路后摩尔时代 , 亚微米、纳米技术的出现 , 给有源阵列天线技术的发展带来新的契机 , 一方面高效率、低剖面和轻量化大孔径阵列天线是微波成像雷达装备发展需求 , 具有重大军事应用前景 ;另一方面 , 天线阵列微系统将电子信息系统的微型化、多功能化、智能化、低功耗和可靠性水平提高到新的高度 , 对阵列天线技术的发展有着重要的促进作用 。
3.2、天线阵列微系统概念和内涵
未来有源阵列天线的形态界限将趋于模糊 , 天线将集成越来越多的有源和无源电路 , 朝着天线阵列微系统方向发展 , 但逻辑界限会越来越清晰 , 实现一体化是必然结果 . 随着网络信息体系的科学技术的不断深入 , 有源阵列天线势必向集成化、数字化、多功能一体化方向发展 ,如图 4 所示 , 将深刻影响到多平台高分辨率对地观测和宇宙探索等方方面面 。
图 4 (网络版彩图) 未来的有源阵列天线
图 5 展示了常规有源相控阵天线与天线阵列集成系统两种构型的比较 . 图 5(a) 是工作在 9.6 GHz有源相控阵天线砖块式结构形式 , 天线厚度是 155 mm. 图 5(b) 和 (c) 分别是天线阵列集成系统的辐射面和背面 , 工作在 35 GHz, 瓦片式结构形式 , 天线厚度是 5 mm. 如果按照天线阵列微系统的概念进行研究 , 还可以进一步提高集成度和性能参数 。
图 5 (网络版彩图) 两种构型天线比较
天线阵列微系统是有源阵列天线发展的高级阶段 , 用较小的天线阵列微系统功能模块构建大型系统可能会更经济 , 这些天线功能模块可分开集成封装后再互连 . 天线阵列微系统定义为 , 以微纳尺度理论为支撑 , 以电磁场、微电子、光电子、材料和热力学为基础 , 结合体系架构和机电热多物理场模型 , 运用微纳系统集成技术和方法 , 将天线阵列、有源收发通道、功率合成 / 合成网络、频率源、波束控制和电源以及导热结构等三维异构混合集成在一个狭小的封装体里 , 如图 6 所示 , 互连线的大幅缩短 , 得到更小的插入损耗和更好的匹配性 。
图 6 (网络版彩图) 天线阵列微系统示意图
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