淺析微凸天線的結(jié)構(gòu)、原理及潛在的應(yīng)用

引言

微凸天線 （Microbump?Antennas）是一個全新天線體系的正式名稱。微凸天線的別稱是凸點(diǎn)天線 （Bump Antennas）1-6。

當(dāng)天線人聽到微凸天線時，可能馬上會聯(lián)想到微帶天線（Microstrip Antennas）。 微帶天線的別稱是貼片天線（Patch?Antennas）7-11。

作者命名微凸天線（或凸點(diǎn)天線）時，主要是從它們的結(jié)構(gòu)出發(fā)，力求名字能夠鮮明地反映出天線的特征。讀者也許會注意到，天線名字中出現(xiàn)了與作者微信名字中一樣的凸字。盡管這是純屬巧合，不過還是令作者覺得有點(diǎn)意思！

微凸天線的發(fā)明，最初是得到鍵合線天線 （Bondwire?Antennas）的啟示12, 13，是十多年前的事了。發(fā)明后由于時機(jī)不成熟，就放到了一邊。近年來，隨著毫米波在雷達(dá)與通信領(lǐng)域規(guī)模商用不斷發(fā)展，太赫磁在通信、感知、成像領(lǐng)域的規(guī)模商用也正式進(jìn)入到人們的視野。因此，作者認(rèn)為微凸天線的時代已經(jīng)到來，是時候讓微凸天線從束之高閣，到走向前臺，接受實(shí)踐的檢驗。

微凸天線自成一體，分不同種類，本文僅闡述其中最重要的一類微凸天線的結(jié)構(gòu)、原理及潛在的應(yīng)用。至于其它種類的微凸天線，作者會以后另辟專文介紹。

結(jié)構(gòu)

微凸天線結(jié)構(gòu)端莊、高姿、美觀、優(yōu)雅。圖1示意了我們在微帶天線的矩形（方形）金屬貼片上增加微型長方（立方）金屬體，在微帶天線的圓形金屬貼片上增加微型圓柱金屬體，在微帶天線的圓形金屬貼片上增加微型圓球金屬體所形成的微凸天線。此類微凸天線的饋電方式可以采納微帶天線的饋電方式。

很顯然，微凸天線突破了微帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上的局限，標(biāo)志著印刷和集成天線結(jié)構(gòu)設(shè)計從二維平面向三維立體的重要范式轉(zhuǎn)變。稍后讀者會明白，當(dāng)工作頻率從微波上升到毫米波，尤其是到太赫磁頻段，這一轉(zhuǎn)變是順其自然與合乎邏輯的發(fā)展。類似的范式轉(zhuǎn)變，近年來也發(fā)生在半導(dǎo)體領(lǐng)域。在微電子時代二維平面場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是主流，到納電子時代三維立體場效應(yīng)晶體管（比如FinFET）唱主角。作者認(rèn)為上述二者的范式轉(zhuǎn)變從本質(zhì)上講是基于相同的邏輯，變則通，變更好14。

此外，請讀者注意，微凸天線的三維立體結(jié)構(gòu)設(shè)計，仍然保留了微帶天線二維平面結(jié)構(gòu)設(shè)計的許多優(yōu)點(diǎn)。比如，能集成、可共形 （一定程度），易制造（標(biāo)準(zhǔn)材料與工藝）、低成本等1-4。

(a)

(b)

(c)

圖1 微凸天線結(jié)構(gòu)示意圖

原理

作者與學(xué)生們已經(jīng)完成了微凸天線的理論建模與定量分析1-6。本小節(jié)僅定性地簡述微凸天線工作原理。

當(dāng)微凸天線通電時，首先在金屬貼片的下表面和地的上平面建立電荷分布。電荷分布由兩種機(jī)制操縱；一種是相吸的機(jī)制，另一種是相斥的機(jī)制。相吸機(jī)制發(fā)生在金屬貼片下表面對應(yīng)的相反電荷之間及金屬貼片下表面與金屬地的上平面相反電荷之間。相吸機(jī)制傾向于保持金屬貼片下表面的電荷集中。相斥機(jī)制發(fā)生在金屬貼片下表面的同類電荷之間，它傾向于將一些電荷從金屬貼片下表面邊緣周圍，推到頂部的三維金屬體的表面。這些電荷的移動分別在金屬貼片的下表面和三維金屬體的表面產(chǎn)生相應(yīng)的電流密度來實(shí)現(xiàn)輻射15-18。

當(dāng)然，微凸天線工作原理也可以將其看作為磁單元與電單元構(gòu)成的天線陣來解釋。磁單元是等效的磁流元，由金屬貼片、介質(zhì)基片及金屬地形成的微帶天線來實(shí)現(xiàn)。電單元是由三維金屬體與金屬地所構(gòu)建。

以圖1(c)為例, 我們可以繪出圓形金屬貼片及金屬球體表面上的主模電流分布圖。

圖2(a)示意圓形金屬貼片下表面上的主模TM11電流密度分布。圖2(a)圓形金屬貼片外圍的雙箭頭示意主模TM11等效的磁流密度分布。圖2(b)示意金屬球體表面上的主模HEM11電流密度分布圖。由TM11與HEM11模式電流密度分布可以確定微凸天線在邊射方向輻射最強(qiáng)。

圖3(a)示意圓形金屬貼片下表面上的主模TM01電流密度分布。圖3(a)圓形金屬貼片外圍的雙箭頭示意主模TM01等效的磁流密度分布。圖3(b)示意金屬球體表面上的主模TM10電流密度分布圖。由TM01與TM10模式電流密度分布可以確定微凸天線在邊射方向輻射最弱。

根據(jù)上述原理并借鑒朱蘭成電小天線理論不難理解微凸天線的電性能要優(yōu)于與之對應(yīng)的微帶天線20。微凸天線所具備的較之微帶天線優(yōu)良的電性能已被我們的理論、仿真與實(shí)驗所驗證3-6。

(a)

(b)

圖2 微凸天線TM11與HEM11模式分布示意圖

(a)

(b) ? ?圖3 微凸天線TM01與TM10模式分布示意圖

設(shè)計

微凸天線的設(shè)計可以先從微帶天線設(shè)計開始。當(dāng)圓形微帶天線設(shè)計完成后，根據(jù)圓形金屬貼片的尺寸就可以選定金屬球體的大小。金屬球體的直徑建議略大于圓形金屬貼片的直徑。金屬球體截取部分的大小可以通過優(yōu)化來確定。如前所述，微凸天線的饋電方式可以采納微帶天線的饋電方式。再以圖1(c)為例并考慮激勵出圖2所示的電磁模式，微凸天線的饋電位置應(yīng)比微帶天線的饋電位置更接近金屬貼片的邊緣9。此外，微凸天線較之微帶天線可以提供更多的電磁模式進(jìn)行調(diào)控設(shè)計。

制造

微凸天線所需要的金屬材料是非常普通的，比如錫-銀-銅（Sn-Ag-Cu）合金與銅。微凸天線的一個重要優(yōu)勢就是可以用更加簡化的標(biāo)準(zhǔn)凸塊工藝來大規(guī)模生產(chǎn)21。

測試

微凸天線的實(shí)驗室測量需要用到基于探針的準(zhǔn)懸空式天線測試平臺。感興趣的讀者可以參閱鄭子陽博士與作者等人在IEEE天線與傳播學(xué)會期刊上所發(fā)表的相關(guān)論文22, 23。微凸天線在產(chǎn)線上的快速測試可以參考第五代移動通信（5G）毫米波封裝天線在產(chǎn)線上所用的測試策略與方法24。

應(yīng)用

微凸天線是封裝天線（Antenna-in-Package, AiP）技術(shù)與片上天線（Antenna-on-Chip, AoC）技術(shù)所獨(dú)有的天線形式。微凸天線有望在集成系統(tǒng)中得到應(yīng)用25-30。

(a)

(b)

圖4 太赫磁片上微凸與微帶天線顯微照片

（芯片尺寸2 x 2 平方毫米）

結(jié)論

微凸天線是一個具備全新結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理的天線體系。微凸天線的出現(xiàn)標(biāo)志著印刷和集成天線結(jié)構(gòu)設(shè)計從二維平面向三維立體的重要范式轉(zhuǎn)變。表1從電、熱、力多物理場方面比較了微凸天線與微帶天線的優(yōu)劣。從表中可以得知微凸天線全面優(yōu)于微帶天線。

表1 微凸天線與微帶天線比較

?

?

?

?

展望

微凸天線有望成為太赫茲集成系統(tǒng)的主流天線，有著大規(guī)模商用的廣闊前景。微凸天線是一個全新的天線體系，應(yīng)該會在將來寫入到天線教科書中。

推廣

作者正在大力推廣微凸天線，歡迎垂詢合作。

微凸天線知識體系中理論部分可以使你充分地了解微凸天線的工作機(jī)理及進(jìn)行粗設(shè)計、仿真模型庫部分可以使你輕松地優(yōu)化與細(xì)設(shè)計微凸天線、制造部分可以幫你聯(lián)系打樣與量產(chǎn)、測試部分可以幫你完成實(shí)驗室性能評估及產(chǎn)線功能測試方案。

如果你是天線廠商，請你考慮進(jìn)入AiP與AoC技術(shù)領(lǐng)域，共同集成天線的未來；如果你是封測廠商，選用微凸天線將會使你的AiP技術(shù)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷、鶴立雞群；如果你是半導(dǎo)體廠商，選用微凸天線將會使你的AoC技術(shù)獨(dú)樹一幟、別具一格！

最后但是同樣重要，如果你是天線研究者，歡迎貢獻(xiàn)聰明才智，研究與發(fā)展微凸天線；如果你是太赫磁芯片設(shè)計者，鼓勵選用AoC 方案，協(xié)同設(shè)計芯片與微凸天線！

致謝

中國科學(xué)院毛軍發(fā)院士，中山大學(xué)（深圳）鄧天偉副教授，上海交通大學(xué)鄭子陽博士與方玉林博士。

文獻(xiàn)
? 1.?Y. P. Zhang, T. W. Deng, “New techniques to enhance the performance of THz on-chip antenna,” Filed on 13 Feb. 2013, NIEO Ref: TD/249/13, on 13 Feb. 2015, PAT/249/13/15/US PRV2.
? 2.?Y. P. Zhang, T. W. Deng, “Semiconductor arrangement and method for fabricating thereof,” Filed on 13 Feb 2016 PAT/249/13/16/PCT.
? 3.?T. W. Deng, Y. P. Zhang, Z. Y. Zheng, Q. L. Yan, J. F. Mao, “Performance enhancement of antenna-on-chip with microbumps in flip-chip technology,” to be published.
? 4.?T. W. Deng, Y. P. Zhang, Z. Y. Zheng, J. F. Mao, “Significant radiation enhancement of terahertz antenna-on-chip array by micro bumps,” to be published.
? 5.?Y. P. Zhang, Y. L. Fang, “Theory of microbump antennas for conical radiation,”to be published.
? 6.?Y. L. Fang, Y. P. Zhang “Theory of microbump antennas for broadside radiation,” to be published.
? 7.?R. E. Munson, “Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 22, no. 1, pp.74 -78, Jan. 1974.
? 8.?J. Q. Howell, “Microstrip antennas,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 23, no. 1, pp. 90-93, January 1974.
? 9.?K. R. Carver, J. W. Mink, “Microstrip antenna technology,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol.27, no. 1, pp. 2–24, Jan. 1981.
? 10. J. R. James, P. S. Hall, Eds., Handbookof Microstrip Antennas, ?London,U.K.: Peter Peregrinus Ltd., 1989.
? ? 11.?張躍平，微帶天線簡史，微波射頻網(wǎng)， 2020年6月1日.
? 12.?Y. P. Zhang, D. Liu, “Antenna-on-chip and antenna-in-package solutions to highly-integrated millimeter-wave devices for wireless communications,” (Invited Paper) IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 57, no. 10, pp. 2830-2841, Oct. 2009.
? 13.?Y. P. Zhang, M. Sun, K. M. Chua, L. L. Wai, D. Liu, “Antenna-in-package design for wirebond interconnection to highly-integrated 60-GHz radios,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 57, no. 10, pp. 2842-2852, October 2009.
? 14.?關(guān)凹凸，天線與晶體管，The Antennas Academy 公眾號，即將發(fā)表.
? 15.?Y. T. Lo, D. Solomon, W. F. Richards, “Theory and experiment on microstrip antennas,”?IEEE Trans. Antennas Propag., vol.27, no. 2, pp. 137–145, Mar. 1979.
? 16.?A. G. Derneryd, “Analysis of the microstrip disk antenna element,”IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 27, no. 5, pp. 660-664, Sep. 1979.
? 17.?W. C. Chew, J. A. Kong, “Analysis of a circular microstrip disk antenna with a thick dielectric substrate,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 29, no. 1, pp. 68-76, Jan. 1981.
? 18.?S. A. Long, L. C. Shen, P. B. Morel“Theory of the circular-disc printed-circuit antenna,” Proc. IEE, vol.125, pp. 925-928, Oct. 1978.
? ? 19.?J. A. Stratton, L. J. Chu, “Steady-state solutions of electromagnetic field problems. II. forced oscillations of a conducting sphere,” J. Appl. Phys., vol. 12, pp. 236-240, Mar. 1941.
? 20.?L. J. Chu, “Physical limitations of omni-directional antenna,” J. Appl. Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, Dec. 1948.
? 21.?https://www.jcetglobal.com/en/site/FuwuInfo_3
? 22.?Z. Y. Zheng, Y. P. Zhang, L. Y. Shi, L. S. Wu, J. F. Mao, “An overview of probe-based millimetre-wave/terahertz far-field antenna measurement setups,” IEEE Antennas? Propag. Mag., vol. 63, no. 2, pp. 111-118, April 2021.
? 23.?Z. Y. Zheng, Y. P. Zhang, “A study of a probe-based millimeter-wave far-field antenna measurement setup,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 63, no. 5, pp. 118-144, Oct 2021.
? 24.?Y. P. Zhang, J. F. Mao, “An overview of the development of antenna-in-package technology for highly-integrated wireless devices,” Proc. IEEE, vol. 107, no. 11, pp. 2265-2280, November 2019
? 25.?T. W. Deng, Z. M. Chen, Y. P. Zhang, “Coupling mechanisms and effects between on-chip antenna and inductor or coplanar waveguide,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 60, no. 1, pp. 20-27, January 2013.

? 26.?D. Liu, Y. P. Zhang, “Integration of array antenna in chip package for 60-GHz radios,” (Invited Paper) Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2364-2371, Jul. 2012.

? 27.?Y. P. Zhang, M. Sun, D. Liu, Y. L. Lu, “Dual grid array antennas in a thin-profile package for flip-chip interconnection to highly-integrated 60-GHz radios,” (S. A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award) IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 59, no. 4, pp. 1191-1199, April 2011.
? 28.?Y. P. Zhang, M. Sun, L. H. Guo, “On-chip antennas for 60 GHz radios in silicon technology,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 52, no. 7, pp. 1664-1668, July 2005.
? 29.?Y. P. Zhang, “Antenna-in-package design for wireless system on a chip,” in Antenna and Array Technologies for Future Wireless Ecosystems, Y. Jay Guo, Richard W. Ziolkowski, Eds., Hoboken, New Jersey, U.S.: Wiley-IEEE, 2022, ch. 5, pp. 183-213.
? 30. D. Liu, Y. P. Zhang, Eds., Antenna-in-Package Technology and Applications, Hoboken, New Jersey, U.S.: Wiley-IEEE, 2020.
?

編輯：黃飛

?