基于封裝天線的過孔分析

封裝天線是指將天線與單片射頻收發(fā)機(jī)集成在一起從而成為一個標(biāo)準(zhǔn)的表面貼器件。本文對封裝天線中連接天線地與系統(tǒng)地的過孔進(jìn)行了分析，具體研究了過孔數(shù)量與位置對天線性能的影響。過孔均勻分布四周和只有一個過孔時，天線性能沒有明顯變化，在過孔數(shù)量為兩個且位置合適時，出現(xiàn)了一個新的通帶大大展寬了頻帶。對所研究天線提出了其等效電路模型，對生產(chǎn)實(shí)際具有一定的指導(dǎo)作用。根據(jù)物理原型制作的天線其測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

1、引言

無線通信技術(shù)的發(fā)展要求RF系統(tǒng)體積越來越小，功能越來越強(qiáng)大[1]。傳統(tǒng)方法將芯片級天線與RF收發(fā)機(jī)一起安裝在PCB電路板上，天線占據(jù)的空間阻礙了系統(tǒng)的小型化。為了克服芯片級天線的缺點(diǎn)，與單芯片接收機(jī)更好的匹配，最近幾年，張躍平等提議了封裝天線（AiP）[2]。第一個封裝天線是在陶瓷封裝中實(shí)現(xiàn)，天線與單芯片收發(fā)機(jī)之間的互相影響、封裝天線的優(yōu)化設(shè)計、雙通帶封裝天線、封裝天線的等效電路、天線與放大器的協(xié)同設(shè)計等均被人們研究[3-7]。本文研究了封裝天線中過孔對天線性能的影響，并提出了這種天線的等效電路。結(jié)果表明，不同位置和數(shù)量的接地孔對天線的性能有不同的影響，合理選擇封裝過程中的接地結(jié)構(gòu)，可以有效改善天線的帶寬。

2、封裝天線概念

圖1為封裝天線的結(jié)構(gòu)示意圖，自上而下依次為：天線、中間介質(zhì)層(內(nèi)部有空腔)、系統(tǒng)PCB。一般IC芯片封裝的上表面是用來標(biāo)識生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品型號的，封裝天線將天線集成在芯片上表面，在封裝的中間層即天線的下方有一個內(nèi)部空腔，用來放置其他RF模塊。為了減少天線與腔體內(nèi)RF模塊的耦合，在兩層之間加入了一個額外的金屬層，可以把它看作天線的地平面，它通過四周均勻分布的金屬過孔與整個RF系統(tǒng)地平面連接，這些金屬過孔的位置和數(shù)量會影響天線與腔體內(nèi)RF模塊的性能。

圖 1 為封裝天線的結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 天線結(jié)構(gòu)圖

3、過孔分析

包含四層介質(zhì)，使用的是厚度為0.8mm的FR4，上面三層尺寸均為20mm×20mm×0.8mm，底層為系統(tǒng)板，尺寸40mm×40mm×0.8mm。中間介質(zhì)層由兩層介質(zhì)構(gòu)成，上層介質(zhì)中空腔尺寸為10mm×10mm×0.8mm，下層中介質(zhì)空腔尺寸為14mm×14mm×0.8mm，即形成的是一階梯型的腔體，在兩層中間臺階面處有連接RF模塊鍵合線的信號線層。系統(tǒng)地在底層介質(zhì)的地面，方便安裝與測量。由于腔體內(nèi)RF模塊位于中間位置，限制了天線饋電位置，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，天線采用同軸加微帶的復(fù)合饋電方式。為了減少外界與天線對腔體內(nèi)模塊的影響，一般過孔數(shù)量越多越好，可均勻分布于腔體四周[1-3]。但過孔數(shù)量越多，加工難度越大，并且由于信號線層信號線分布較密集，能布置過孔的位置非常有限，通常只能在四周或者RF模塊的地線處布置過孔。

根據(jù)常用過孔直徑和實(shí)際加工條件，過孔直徑選為0.5mm。將過孔數(shù)量分為：1個、2個、4個和四周均勻分布(每排九個過孔，兩個孔中心間距為2mm)四種情況來研究，具體分布位置見圖3，以天線介質(zhì)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫向?yàn)閤軸，縱向?yàn)閥軸，除四周均勻分布外過孔均布置于縱向。過孔圓心坐標(biāo)為（xi，yi），下標(biāo)i表示第幾個孔。不同數(shù)量過孔仿真結(jié)果如表1-4，從表中可以看到，過孔數(shù)量為一個時，天線性能基本不隨過孔的位置變化而變化，帶寬基本不變，中心頻率略有偏移。四個過孔時，位置對天線性能有較大影響。過孔均勻分布四周時天線性能與一個過孔時接近。因此在考慮制作成本或者天線結(jié)構(gòu)不允許時，連接天線地和系統(tǒng)地的過孔數(shù)量可以減少，最少可以為一個。

圖 3 過孔分布示意圖

表1 一個過孔（X1=8mm）

表2 兩個過孔（X1= X2=8mm）

表3 四個過孔

表4 四周均勻分布過孔

過孔數(shù)量為兩個時，在一些合適的位置，天線的帶寬展寬了一倍多。這主要是由于天線地與系統(tǒng)地在兩個合適的過孔連接下在原工作頻率附近又出現(xiàn)了一個新的通帶，兩個通帶組合在一起從而展寬了天線的帶寬。這對于設(shè)計人員來說是非常有意義的，在使用常用介質(zhì)和不增加制作成本的前提下，僅通過改變過孔數(shù)量與位置就達(dá)到增大帶寬的效果是很實(shí)用的。

以上討論的均為過孔沿縱向布置，當(dāng)其他參數(shù)不變，僅將過孔沿橫向布置時，天線性能沒有明顯改善甚至惡化，且某些情況下在預(yù)期頻帶不出現(xiàn)通帶。由于篇幅有限，沒有將具體數(shù)值給出。

4、等效電路

按照空腔模型理論，將天線問題分為內(nèi)場和外場。分析內(nèi)場時，把同軸或者微帶饋電等效為從天線地流向貼片的且不隨流動方向變化的電流源，從而得到微帶天線的等效電路為一RLC并聯(lián)電路。

圖 4 封裝天線等效電路圖

封裝天線由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，存在天線地和系統(tǒng)地。貼片、天線介質(zhì)、天線地可以等效為RLC并聯(lián)電路，但封裝天線的饋電接地端是系統(tǒng)地，系統(tǒng)地通過過孔與天線地鏈接，為此提出了圖4所示等效電路。該等效電路主要包括貼片天線、饋電部分、連接天線地與系統(tǒng)地的過孔部分。由于過孔的存在，使得天線地上的電流分布發(fā)生了變化，這種變化用電感Lgnd表示，兩金屬地平面之間的電容效果由Cgnd表示，Lvia和Rvia分別代表過孔的電感和電阻。Lgnd與Cgnd的值是通過電路仿真軟件優(yōu)化得到。其他參數(shù)的詳細(xì)計算可以參看文獻(xiàn)[6]。最終的電路參數(shù)值在表5中給出。

表5 電路參數(shù)值

5、測量結(jié)果

圖5為根據(jù)所研究的天線物理原型制作的天線實(shí)物。測量結(jié)果展示在圖6和7中，可以看出測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。當(dāng)兩個過孔中心坐標(biāo)為（8，8），（8，-4）時，在原中心頻率附近出現(xiàn)新的通帶，測量的天線帶寬由一個過孔時0.13GHz展寬到0.45Ghz，比原來增加了兩倍多。測量中心頻率比仿真的均偏低100MHz，這是由于介質(zhì)和制作誤差引起的。

圖 5 天線實(shí)物照片

圖 6 一個過孔(x1，y1)=(8,0)時的測量結(jié)果

圖 7 兩個過孔x1= x2=8, y1=8,y2=-4 時的測量結(jié)果