毫米波天線陣列實(shí)現(xiàn)方式有哪些

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不管是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，還是在汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，毫米波的應(yīng)用現(xiàn)在越來(lái)越多，實(shí)現(xiàn)了更智能化的感知通信體驗(yàn)。通常，毫米波模塊安裝在由收發(fā)器、天線、電源管理電路、存儲(chǔ)器和接口外設(shè)組成的印刷電路板上。

其中毫米波天線在毫米波組件中的地位舉足輕重。毫米波波長(zhǎng)要比低頻率波波長(zhǎng)短很多，而天線尺寸與電磁波波長(zhǎng)成正比，因此毫米波天線的尺寸要比低頻率天線小很多，也因此波束寬度要小很多，能量更加集中。

雖然客觀上毫米波雷達(dá)天線尺寸小一些，但是不同的天線技術(shù)會(huì)直接影響到天線在板上損耗和效率，尤其是損耗這一方面，毫米波的路徑損耗本身就會(huì)比低頻率波大?？梢哉f(shuō)毫米波天線集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)毫米波高分辨數(shù)據(jù)流、移動(dòng)分布式計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)。

毫米波天線陣列實(shí)現(xiàn)方式

目前毫米波天線集成的實(shí)現(xiàn)方式可分為兩大類(lèi)——AoC和AiP。AoC天線將輻射原件直接集成到射頻芯片棧的后端，這種集成方式可以在一個(gè)僅幾平方毫米小尺寸單一模塊上做到?jīng)]有任何射頻互連和射頻與基帶功能的相互集成。AiP則基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無(wú)線功能。

AoC技術(shù)需要先進(jìn)的后處理步驟或封裝工藝，以減少?lài)?yán)重的介電損耗。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，這種集成方式目前看來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力并不在毫米波頻段，該天線集成技術(shù)在成本和性能上的性?xún)r(jià)比更適合較毫米波有更高寬帶和更高載波頻率的頻段。

AiP技術(shù)可以說(shuō)是5G毫米波頻段毫米波終端天線最適合的方案。AiP技術(shù)能兼顧天線性能、成本及體積，相比傳統(tǒng)天線與射頻模塊的分散式設(shè)計(jì)更順應(yīng)硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的潮流。AiP天線集成技術(shù)進(jìn)一步將各類(lèi)通信元件，如傳送收發(fā)器、電源管理芯片、射頻前端等元件與天線整并在一起，達(dá)到縮小厚度與減少PCB面積的目的。目前大多數(shù)60GHz無(wú)線通信和雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)。

AiP技術(shù)助力下的毫米波雷達(dá)毫米波對(duì)于垂直行業(yè)的價(jià)值已經(jīng)得到各產(chǎn)業(yè)界廣泛的認(rèn)同，AiP天線技術(shù)無(wú)疑在其中發(fā)揮了重要作用。利用AiP天線技術(shù)，布板空間的節(jié)省大大降低了模塊的外形尺寸，器件到天線的布線距離縮短也有利于降低功率損耗。另一方面，我們知道PCB 上的天線是需要使用高頻基板材料的，AiP天線技術(shù)可以降低天線對(duì)高頻基板材料的需求。如TI的AiP技術(shù)利用倒裝芯片封裝技術(shù)直接將天線集成到無(wú)塑封裝基板上，防止因天線穿過(guò)塑封材料時(shí)產(chǎn)生損耗而降低效率并導(dǎo)致雜散輻射。

但雷達(dá)傳感方面AiP的應(yīng)用也不是沒(méi)有劣勢(shì)，以TI的6843為例，其AiP方案和普通方案芯片性能完全一致，區(qū)別僅由天線差異引入?？梢院苊黠@地看到由于采用了小型天線，雷達(dá)增益降低，導(dǎo)致探測(cè)威力下降，這也是為什么AiP毫米波雷達(dá)一般只用于近場(chǎng)感應(yīng)。另一個(gè)劣勢(shì)在于空間角分辨能力減弱，對(duì)于復(fù)雜的靜態(tài)場(chǎng)景反而不能很好地構(gòu)建出空間模型。

在各種需要傳感器近場(chǎng)感知環(huán)境的場(chǎng)景里，可以說(shuō)有著毫米波雷達(dá)廣闊的用武之地，AiP天線技術(shù)則幫助毫米波雷達(dá)大大強(qiáng)化了近場(chǎng)感知能力。下圖是加特蘭基于AiP毫米波雷達(dá)的人員檢測(cè)演示截圖，從3D追蹤效果來(lái)看AiP技術(shù)大大增加了雷達(dá)的距離分辨率，而且視野足夠?qū)掗?。在汽?chē)ADAS應(yīng)用里，利用AiP高度集成的毫米波傳感器也能應(yīng)用在各種檢測(cè)中，點(diǎn)云效果也很優(yōu)秀。AiP毫米波雷達(dá)解決了普通毫米波雷達(dá)尺寸大、功耗高等一系列問(wèn)題。

加特蘭毫米波雷達(dá)芯片Alps、Alps-Mini、Rhine、Rhine-Mini均采用AiP技術(shù)，在天線性能方面設(shè)計(jì)冗余度很高，包括高阻抗帶寬冗余及增益冗余。以加特蘭4發(fā)4收的AiP毫米波雷達(dá)芯片為例，在超短距模式下，對(duì)于10 平方米 RCS的目標(biāo)，其檢測(cè)距離達(dá)45米，視場(chǎng)角為90°，支持4D檢測(cè)；在短距模式下，對(duì)于相同RCS的目標(biāo)，其檢測(cè)距離達(dá)80米，視場(chǎng)角為90°，支持通過(guò)使用內(nèi)部的移相器實(shí)現(xiàn)俯仰方向的模擬發(fā)射器波束成形。

上海矽杰微也推出了AIP全集成毫米波雷達(dá)芯片SRK1103M，面向汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的24GHz的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品。SRK1103M在10mm*12mm*1.34mm的小尺寸下1T1R全集成，無(wú)需板上毫米波走線，增強(qiáng)了雷達(dá)與其他系統(tǒng)模塊的匹配性。

英飛凌近期則針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)短距離定位應(yīng)用推出了基于AiP技術(shù)的60GHz多普勒雷達(dá)運(yùn)動(dòng)傳感器BGT60LTR11AIP，3.3 mm*6.7mm*0.56mm的小尺寸下1T1R全集成，具有80°半功率波束寬度（HPBW），最遠(yuǎn)可檢測(cè)7米距離。器件通過(guò)可調(diào)的占空比，實(shí)現(xiàn)不到2mW的功耗。

AiP技術(shù)助力下的毫米波通信在通信方面AiP技術(shù)同樣效果明顯，目前AiP技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺(tái)積電及三星等半導(dǎo)體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測(cè)試廠家。

5G毫米波特性帶動(dòng)了天線尺寸縮小，但將不同元件整合在單一封裝中，仍然會(huì)存在散熱等諸多問(wèn)題。高通的QTM毫米波模塊方案利用AiP天線技術(shù)解決這些問(wèn)題，支持多達(dá)64個(gè)雙極化天線單元以實(shí)現(xiàn)范圍更廣的最優(yōu)毫米波覆蓋。該全集成系統(tǒng)級(jí)解決方案整合了最新的毫米波技術(shù)，如面向雙向通信的波束成形、波束導(dǎo)向和波束追蹤技術(shù)，在5G毫米波通信集成天線封裝模塊上處于領(lǐng)先地位。

射頻元件商如Skyworks、Qorvo，封測(cè)代工廠如日月光、Amko等，也都選擇以AiP技術(shù)為研發(fā)方向切入5G通訊市場(chǎng)。Qorvo就基于OTM設(shè)計(jì)對(duì)AiP模組進(jìn)行了研發(fā)設(shè)計(jì)升級(jí)，整個(gè) AiP 設(shè)計(jì)更小，成本更低，與此同時(shí)整個(gè)AIP的發(fā)射功率不變化，但直流功耗變小，天線設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。5G毫米波模塊的升級(jí)也帶動(dòng)了天線封裝AiP技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

小結(jié)天線集成的根本是將一個(gè)相控陣所需的所有組件集成到一個(gè)芯片上，這是硅基毫米波天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。在毫米波應(yīng)用大放異彩的今天，AiP技術(shù)優(yōu)化了毫米波性能，給予了毫米波充裕的設(shè)計(jì)靈活性，也將毫米波推向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。