摘 要： 作為5G大規(guī)模多輸入/多輸出（ MIMO） 的技術(shù)支持，毫米波天線集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高分辨數(shù)據(jù)流、移動(dòng)分布式計(jì)算等應(yīng)用場景的關(guān)鍵技術(shù)。討論了封裝天線（ AiP） 、片上天線（ AoC） 、混合集成等毫米波天線集成技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案，剖析了幾種典型集成天線技術(shù)，分析了技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)了5G毫米波集成天線一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

比如：針對(duì)生命體征監(jiān)測和姿勢(shì)識(shí)別，IMEC開發(fā)了一款帶有片上天線的140GHz FMCW雷達(dá)收發(fā)器。雷達(dá)的工作范圍為0.15米至10米，分辨率為11毫米，射頻帶寬為13GHz，中心頻率為145GHz，收發(fā)器IC采用28nm模塊CMOS技術(shù)制造，可實(shí)現(xiàn)低成本的解決方案。

引 言

毫米波半導(dǎo)體是第五代移動(dòng)通信技術(shù)（ 5G ） 的基礎(chǔ)器件，采用毫米波頻率進(jìn)行定向通信的技術(shù)是5G預(yù)期配置的關(guān)鍵技術(shù)之一。毫米波的頻率范圍為 30～300 GHz。目前研究的波段范圍有 28 GHz頻段、 38 GHz 頻段、 60 GHz 頻段和 E 頻段（ 71 ～ 76 GHz、 81～86 GHz） 。5G 技術(shù)將通信頻段移向比第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G） 高得多的毫米波頻率。5G 的頻譜帶寬較 4G 會(huì)有 10 倍至 20 倍的提升，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以提高 20 倍，且天線陣列和基站設(shè)備的尺寸更小、成本更低。在毫米波頻段中， 28 GHz 頻段、 60 GHz 頻段是最有希望應(yīng)用于 5G 的兩個(gè)頻段。

作為收發(fā) ＲF 信號(hào)的無源器件，天線決定了通信質(zhì)量、信號(hào)功率、信號(hào)帶寬、連接速度等通信指標(biāo)，是通信系統(tǒng)的核心。如何增加頻譜數(shù)據(jù)吞吐量是從 4G 到 5G 的重大挑戰(zhàn)。5G 的關(guān)鍵技術(shù)為大規(guī)模多輸入、多輸出（ MIMO ）的集成毫米波天線技術(shù)。每一個(gè) MIMO 信道有著自身的從接收天線、發(fā)射天線到微處理器的信號(hào)通路。接收信道的作用是實(shí)現(xiàn)從天線接收ＲF 信號(hào)到輸入采樣基帶頻率的下變頻， 以及模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能。發(fā)射信道的功能是將上變頻后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬 ＲF 信號(hào)。縮小尺寸是 5G 天線的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。最小的基站天線尺寸將縮小到信用卡大小，這會(huì)增大毫米波天線及電路在集成度、低功耗和連接方面的要求。提升功率密度是 5G 天線的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

多天線系統(tǒng)集成是應(yīng)對(duì) 5G 系統(tǒng) MIMO 、縮小尺寸、提升功率密度等挑戰(zhàn)的重點(diǎn)技術(shù)之一。由于 SiGe 和 CMOS ＲF 集成電路已經(jīng)達(dá)到高的 fT、 fmax和高的集成密度，能采用 CMOS、 SOI 和 SiGe 工藝來設(shè)計(jì)大規(guī)模全集成硅毫米波相控陣電路。基于全 ＲF 結(jié)構(gòu)、 8～32 元的發(fā)射（ Tx ） 、接收（ Ｒx ） 或收/發(fā)（ T/ Ｒ） 模式已成功用于45～110 GHz頻段。硅集成方案可以在同一芯片上集成多個(gè)元件。與 GaAs 和 InP 等 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體技術(shù)相比較，硅基技術(shù)具有更高的集成度和更低的成本。硅相控陣芯片在毫米波領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。該項(xiàng)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)是，在信號(hào)鏈單元上的ＲF 功率放大器、低噪聲接收機(jī)放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器或 D/A 轉(zhuǎn)換器都需要很大的效率提升。

無線通信和傳感器系統(tǒng)均可以通過 ＲF 系統(tǒng)提高集成度和采用新封裝技術(shù)的方法來提高性能。目前實(shí)現(xiàn)前端電路和集成天線的方案有三種。第一種為天線封裝（ AiP ） 技術(shù)，天線采用 IC 封裝工藝制作。第二種為芯片上天線（ AoC） 技術(shù)，天線直接在 硅襯底上制作。第三種為 AiP 和 AoC 的混合技術(shù)，天線饋電點(diǎn)制作在芯片上，輻射元件在片外實(shí)現(xiàn)。AiP 技術(shù)中，芯片和天線的互連在某個(gè)頻率范圍內(nèi)應(yīng)該達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)挠行剩渲饕姆庋b工藝有引線鍵合工藝和倒裝芯片工藝。但是，器件在高頻時(shí)的損耗較大，成本將升高。

1 相控陣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

硅毫米波相控陣技術(shù)在 5G 通信中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。多家公司采用 SiGe 和 CMOS 工藝來制作 IC，其工作頻率已達(dá) 60～100 GHz。例如，北美豐田研究所研制了一種具有 ＲF 波束形成能力的 SiGe 單芯片汽車相控陣接收機(jī)［1］，如圖1 所示。

汽車相控陣接收機(jī)采用低成本的鍵合線技術(shù)進(jìn)行封裝，并與 16 元線性微帶陣列連接。該天線在 77～ 81 GHz 頻率的指向性為 29. 3 dB，增益為 28 dB，每步（ 1°） 在方位角平面中能掃描到±50°。該芯片中，平面相控陣天線陣列間距只有0.5λ（ λ=3. 75 mm，頻率 80 GHz 以下） ，這個(gè)參數(shù)對(duì)于可用面積很小的毫米波電路尤其重要。這種相陣列需要盡可能多地在 SiGe 或者 CMOS 芯片上集成更多電路，不僅包括移相器和 VGA，而且包括全部的發(fā)射/接收電路、功率合成網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字與 SPI 控制、偏置電路，某些情況下還包括完整的上/下轉(zhuǎn)換器。

圖 1 毫米波汽車相控陣接收機(jī)

2 天線集成技術(shù)

目前， 60 GHz 封裝的天線和片上天線均使用商用電磁仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于混合解決方案，已開發(fā)出補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn) IC 設(shè)計(jì)工具的建模方法，以實(shí)現(xiàn)引線鍵合與 IC 的協(xié)調(diào)集成。AiP 技術(shù)需要確保整體性能的IC與天線間的寬帶低損耗互連設(shè)計(jì)。AoC 技術(shù)需要先進(jìn)的后處理步驟或封裝工藝，以減少嚴(yán)重的介電損耗。混合天線集成技術(shù)則融合了 AiP 和 AoC 的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高輻射效率，無需芯片與封裝的低損耗互連設(shè)計(jì)。但是，該方案的設(shè)計(jì)靈活性不高，且在寬側(cè)方向上呈現(xiàn)輻射零點(diǎn)，阻止了其在某些場合的應(yīng)用。

2. 1 AiP 技術(shù)2. 1. 1 結(jié)構(gòu)

AiP 技術(shù)是將一元或多元天線集成到 ＲF 封裝內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，其典型方案是采用集成電路封裝工藝。在硅毫米波收發(fā)器中，封裝內(nèi)集成了天線陣列，有助于提供足夠的信號(hào)增益，實(shí)現(xiàn)尺寸最小化。這種工藝是毫米波 ＲF 集成方案規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技 術(shù)。例如，30 GHz 天線元的尺寸為毫米量級(jí)，在單個(gè)封裝內(nèi)需要采用新類型的天線陣列集成技術(shù)。具有光束轉(zhuǎn)向功能的微小相控陣天線是毫米波無線電的關(guān)鍵器件［2］。為了在收發(fā)器封裝內(nèi)集成天線陣列，需要考慮芯片組裝方案、陣列元和饋電網(wǎng)絡(luò)、芯片與封裝互連、封裝材料等。如果收發(fā)器采用多層封裝，需要在芯片與天線之間采用先進(jìn)的互連技術(shù)，滿足天線饋電插入損耗最小的要求。芯片可以放置 在封裝正面，也可以放置在封裝底部。

將芯片放置在封裝底部的方案對(duì)芯片接收和發(fā)射的影響最小。一種可用于 5G 無線通信的有機(jī)芯片封裝中的相控陣毫米波天線如 圖2 所示。為了提高天線帶寬、增益和輻射效率，在一個(gè)厚的覆板上放置了一個(gè)寄生平面結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)雙貼片天線疊層。為了達(dá)到優(yōu)化 ＲF 設(shè)計(jì)和制造的目標(biāo)，對(duì)封裝層疊片和低介電常數(shù)材料的參數(shù)作了優(yōu)化選擇，如表 1 所示。

圖 2 有機(jī)芯片封裝中的相控陣毫米波天線

表 1 天線陣列設(shè)計(jì)要求

2. 1. 2 設(shè)計(jì)與制造

在 AiP 設(shè)計(jì)中，除了波束形成、信號(hào)放大和具有頻率轉(zhuǎn)換功能的相控陣 IC 外，具有極化特性的天線也是天線陣列的關(guān)鍵器件。在最早的硅基毫米波 IC 設(shè)計(jì)發(fā)展階段，天線設(shè)計(jì)采用襯底、形狀和成本與硅基毫米波 IC 兼容的技術(shù)［3］。目前，已有多種頻率的硅襯底片上毫米波天線，但由于面積較大、發(fā)射效率有限，在 100 GHz 以上的天線才有研究價(jià)值。在 60 GHz 頻率內(nèi)，在液晶聚合物（ LCP） 、有機(jī)高密度互連襯底、玻璃襯底、高/低溫共燒陶瓷襯底、硅襯底和模制物料基晶圓級(jí)襯底等材料上制作的硅相控陣天線陣列已被報(bào)道。通常需要對(duì) AiP 陣列的增益、帶寬和輻射圖形進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，需要考慮襯底材料、陣列尺寸（即元件和貼片的數(shù)量） 、互連靈活性（如連接電源和控制信號(hào)） 、熱性能與機(jī)械性能的相容性、 IC 組裝和板集成等因素。

一種新的天線與 IC/載體結(jié)構(gòu)如圖 3 所示［4］。天線結(jié)構(gòu)通過 PCB 板制作于厚度為 T 的介質(zhì)襯底上，并懸空倒置，翻轉(zhuǎn)在 IC/載體之上。IC 封裝基的地也作為天線的鏡像地，天線與地的間距為H。該結(jié)構(gòu)中，天線與地板之間具有非常低的介電常數(shù)，天線結(jié)構(gòu)之上有一層具有較高介電常數(shù)的覆板材料。在保持高天線效率的前提下，相比于標(biāo)準(zhǔn) PCB 天線結(jié)構(gòu)，這種堆疊結(jié)構(gòu)具有更高的帶寬。一個(gè)帶有焊球的墊片可以放置在天線覆板的另一端，作為支撐。

圖 3 天線與 IC/載體結(jié)構(gòu)

AiP 設(shè)計(jì)中通常采用集成電路封裝工藝進(jìn)行封裝，需要將天線與片上電路進(jìn)行物理連接。低溫共燒陶瓷（ LTCC） 工藝可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量層的安裝結(jié)構(gòu)， 具有跨層過孔、層間形成開放腔或密閉腔（IC 可集成于此） 等靈活性。采用該工藝封裝的毫米波天線越來越受到關(guān)注［5］。有些方案采用傳統(tǒng)的鍵合線、 倒裝芯片和 C4 焊接等工藝。例如， 60 GHz 硅相控陣芯片封裝需要有芯片與天線間低損耗分布網(wǎng)絡(luò)的多層毫米波襯底，必須是多層低損耗的 Teflon 基或 LTCC 基，成本昂貴。因此，典型的硅相控陣 AiP 可以達(dá)到 30 ～ 60 GHz 頻率［6］，達(dá)到 80 GHz 的難度更大。

較之 LTCC 封裝方案，印刷電路板（ PCB） 封裝方案可以降低成本。有采用 PCB 等較低成本高頻電路材料制成多層安裝結(jié)構(gòu)的封裝方案，如ＲO3000系列和ＲO4000系列［7-8］的封裝。還有采用液晶聚合物作為基板的低成本方案。但由于使用盲孔或埋孔，層的數(shù)量增多，會(huì)導(dǎo)致 PCB 技術(shù)的機(jī)械制造成本升高。另外， PCB 工藝在極高頻段實(shí)現(xiàn)高密度化的難度增加，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，導(dǎo)致效率降低。因此， LTCC 工藝是大多數(shù)多層結(jié)構(gòu)陣列的選擇，采用該工藝方案的天線性能有改善。

2. 2 AoC 技術(shù)2. 2. 1 片上天線

片上天線是采用片上金屬化連線工藝集成制作的天線。在芯片上直接集成和組合天線的制作方法是太赫茲通信器件研究最少的領(lǐng)域之一。在當(dāng)前技術(shù)條件下，由于襯底吸收和傳導(dǎo)電流等原因，消除 ＲF 電路與天線間所有的連接會(huì)使得設(shè)計(jì)成本大幅 降低，設(shè)計(jì)更加靈活。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，由于沒有介電鏡（ Dielectric Lenses） 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，片上天線對(duì)于消費(fèi)類的小功率器件并不是最佳結(jié)構(gòu)。雖然典型片上天線的效率只能達(dá)到 10%，但如果能在片上設(shè)計(jì)并制造出亞毫米天線（ 采用選頻性質(zhì)的表面［9］或者 Yagi 高方向性的天線［10］） ，則會(huì)帶來成本大幅降低和設(shè)計(jì)靈活性大幅增加的優(yōu)勢(shì)，這會(huì)超過使用效率更高、但昂貴且復(fù)雜的片下天線的優(yōu)勢(shì)，從而增加了應(yīng)用的可能性。

隨著載波頻率和帶寬移向亞太赫茲，高寬帶和高載波頻率使得金屬引線變得不穩(wěn)定，片上天線被認(rèn)為是替代印刷板上芯片金屬互連的方法之一。除了片上天線，片上波導(dǎo)和硅穿孔（ TSV） 波導(dǎo)也是亞太赫茲頻段大帶寬應(yīng)用中替代金屬連線的有前景的技術(shù)。片上天線的成功實(shí)現(xiàn)將會(huì)使得高集成度收發(fā)器、 60 GHz 空間電源組合和更高頻率毫米波系統(tǒng)等眾多應(yīng)用受益。頻率從 0. 9 GHz［11］到 77 GHz［12］的多種頻率片上天線已有不少報(bào)道。德國高性能微電子研究所（ IHP） 采用標(biāo)準(zhǔn) SiGe BiCMOS 工藝，設(shè)計(jì)并制作了一種 130 GHz 的片上天線，峰值增益達(dá)到 8. 4 dBi。

2. 2. 2 CMOS 片上天線

CMOS 工藝是 ＲF IC 的一條重要發(fā)展途徑。隨著 CMOS 管特征頻率（ fT） 接近 400 GHz［14］， CMOS 工藝在毫米波 IC 中得到進(jìn)一步應(yīng)用。文獻(xiàn)［ 15］提 出了一種在 CMOS 芯片上集成人工磁導(dǎo)體和寬帶窄槽天線的新方法，采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了 60 GHz 下 2 dBi 的增益和大于126%的阻抗帶寬。文獻(xiàn)［ 16］采用 0. 18 μm CMOS 工藝，制作了一種 60 GHz 的圓極化環(huán)形天線，具有覆蓋 57～67 GHz 的模擬和測量的軸向比（ axial ratio， AＲ＜3） 帶寬，增益達(dá) 4. 4 dBi。文獻(xiàn)［ 17］采用能制作阻抗帶寬為25 GHz （ 45～70 GHz） 的器件的 Si CMOS 工藝，制作了一種 60 GHz 寬帶的單極子天線，在 60 GHz 下實(shí)現(xiàn)了－ 4. 96 dB 的增益。文獻(xiàn)［18］提出了一種高增益（ 8 dBi 最大增益） 和高效率（ 96. 7%峰值天線效率） 的片上天線，采用 CMOS 0. 18 μm 工藝制作，天線的－ 10 dB 帶寬為 4 GHz。文獻(xiàn)［19］采用 0. 18 μm CMOS 工藝，制作了一種 60 GHz 帶寬的 CPW 饋電環(huán)形單極子天線。

通常，制作在摻雜硅襯底上的片上天線只有約10%的低效率。但若采用成本較高的封裝天線，可實(shí)現(xiàn)比片上天線更高的效率。可采用容性耦合等先進(jìn)連接技術(shù)，將成熟、低成本、較少摻雜的襯底上制作的天線芯片與有源 60 GHz 毫米波 ＲF 芯片連接起來，以實(shí)現(xiàn)比采用標(biāo)準(zhǔn)鍵合工藝的器件高得多的工作頻率范圍。天線可以用低成本的工藝（ 如 0. 18 或 0. 35 μm） 和較低摻雜的襯底來制作，再通過容性耦合，連接到含60 GHz 功率放大器等有源元件上，而不采用更先進(jìn)工藝［20］。一種通過容性耦合將天線芯片與有源 60 GHz ＲF 芯片連接的毫米波集成天線如圖 4 所示。該天線不僅具有舊工藝的低摻雜濃度、高電阻率所致的低電導(dǎo)性、低損失襯底，而且具有更高效率。制作天線陣列時(shí)，低速有源開關(guān)（ 如二極管） 可以集成到芯片上，采用分相位無源饋線來執(zhí)行元件調(diào)諧、移相和波速控制。

圖 4 通過容性耦合將天線芯片與有源 60 GHz ＲF 芯片 連接的毫米波集成天線

2. 3 混合集成毫米波天線

混合集成毫米波天線就是采用專用工藝，將天線與前端 IC 集成在同一封裝中。這種制作技術(shù)是純 AiP 和 AoC 的替代技術(shù)。混合集成天線的示意圖如圖 5所示［21］。熔融石英襯底上的偶極天線的 一半安裝在片上，另一半安裝在片下。這種結(jié)構(gòu)的天線可以直接連接到片上電子器件。在 60 GHz 全頻段內(nèi)，當(dāng)增益為 6～8 dBi 時(shí)，芯片最大輻射效率可達(dá) 90%。

圖 5 混合集成天線概念示意圖

3 毫米波天線集成技術(shù)進(jìn)展3. 1 學(xué)術(shù)界發(fā)展情況

物聯(lián)網(wǎng)（ IoT） 和 5G 要實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)的目標(biāo)，就需要開發(fā)不同毫米波頻段的天線，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。表2 總結(jié)了用于廣域 IoT 和 5G 無線通信的近期文獻(xiàn)中毫米波天線及其性能比較。可以看出，實(shí)用的解決方案仍然較少，多數(shù)方案仍然需要解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增益減少、效率低和功耗高等問題。

60 GHz 毫米波段器件將應(yīng)用于5G 并量產(chǎn)化。片上系統(tǒng)或片上前端小型化系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢(shì)要求在不犧牲輻射效率、帶寬、增益的前提下，AoC器件、 AiP 器件的成本、尺寸和功耗必須向更小化方向發(fā)展。使用硅 IC 工藝提供了最大的集成度、低成本和低功耗，表明 GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝并不一定是最佳選擇，尤其是考慮封裝、集成和互連問題時(shí)。

表 2 近期文獻(xiàn)中 5G 毫米波天線及其性能比較

天線元件通常制作于片下，也可以被完整地集成在單個(gè)芯片上。硅襯底由于介電常數(shù)高、電阻率低，片上集成天線的增益很小、輻射效率很低，可以通過提高襯底的電阻率來改善性能。例如制作高性能低成本的 SoC 時(shí)，將天線和 IC 集成到高電阻率絕緣層上硅（ HＲ SOI） 上。在 AiP 方案中，為解決毫米波頻率下硅襯底上天線陣列的平面饋電器件插入損耗過大的問題，可采用將天線集成在附加基板上的混合集成創(chuàng)新技術(shù)，充分利用封裝和在這種有限空間內(nèi)的耦合可能性。該方案顯現(xiàn)出較高的設(shè)計(jì)靈活性。

IBM 公司在過去的 14 年中發(fā)展了 ＲFIC 和 AiP 系列： 成像和通信應(yīng)用的具有波束形成和波束掃描能力的性能驅(qū)動(dòng)相控陣（ 如 60 GHz、 94 GHz 和 28 GHz 相控陣） ，支持便攜裝置的 V-波段、W 波段和 Ka 波段毫米波模塊（ 如 60 GHz 單元件、開關(guān)波束模 塊）［27］。

文獻(xiàn)［ 28］提出一種多層 LTCC 基板上構(gòu)建的線性極化6 GHz 天線陣列。這些陣列使用4×4 微帶貼片輻射元件，分別由四分之一波長匹配的 T 型接頭網(wǎng)絡(luò)和 Wilkinson 功率分配器網(wǎng)絡(luò)饋電。測量結(jié)果表明，由前者饋電的陣列比由后者饋電的陣列表現(xiàn)更好。對(duì)于帶有和不帶有嵌入式腔的陣列，測量的阻抗帶寬分別為 9. 5%和 5. 8%，最大增益分別為 18. 2 dBi 和 15. 7 dBi。

文獻(xiàn)［ 29］報(bào)道了一種在熔融石英基板上構(gòu)建的線性極化 60 GHz 天線陣列。該陣列使用由饋電網(wǎng)絡(luò)饋電的 2×4 微帶貼片輻射元件，饋電網(wǎng)絡(luò)使用了共面條帶和共面條波導(dǎo)。通過金屬腔增強(qiáng)的陣列實(shí)現(xiàn)了大于 9 GHz 的測量阻抗帶寬和約15 dBi 的最大增益。

文獻(xiàn)［ 30］提出一種采用 LTCC 工藝、具有 2×2 微帶貼片輻射元件的天線陣列，制作出具有線性極化的 60 GHz 發(fā)射器模塊。

文獻(xiàn)［ 31］分別使用 1×8 和 2×5 微帶貼片輻射元件，制作出兩個(gè)有源線性極化60 GHz 天線陣列。

文獻(xiàn)［ 32］提出了一種具有由波后波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)饋電的槽輻射元件、線性極化 60 GHz 的天線陣列。

文獻(xiàn)［ 33］提出了一種圓極化 60 GHz 的天線陣列，該陣列通過對(duì)原始天線元件、疊層波導(dǎo)、調(diào)整圓極化軸比進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬帶寬。

文獻(xiàn)［ 34］提出了一種在 LCP 基板上制作的圓極化 60 GHz 天線陣列。該陣列采用了新的槽輻射元件和新穎的開腔反射器。測量結(jié)果表明， 2×4 輻射元件陣列的峰值增益為15. 6 dBic。

3. 2 商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢(shì)

據(jù) Gartner 預(yù)測，到 2021 年，市場將有 9% 的智能手機(jī)支持 5G 網(wǎng)絡(luò)。5G 采用波束成形技術(shù)，必須采用多天線陣列系統(tǒng)（ Massive MIMO） 。這將導(dǎo)致天線呈量級(jí)增長，并推動(dòng)天線向高度集成化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，工藝技術(shù)不斷升級(jí)，新材料不斷應(yīng)用。例如，新型材料液晶高分子聚合物（ LCP） 材料具有低損耗、高靈活性、高密封性等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于制作微波、毫米波器件。蘋果公司推出的毫米波天線解決方案中包含采用 LCP 材料制作的天線，這是 5G 天線大規(guī)模商用化的一個(gè)重要方向［35］。高通公司 QTM052 毫米波天線模組系列支持緊湊封裝尺 寸，適合于移動(dòng)終端集成。配置 QTM052 的毫米波天線模組的終端將于2019 年上半年推向市場，顯示出在 5G 中集成天線和 ＲF 前端等元器件的發(fā)展趨勢(shì)。意法半導(dǎo)體公司、 STATS ChipPAC 和英飛凌科技公司在英飛凌第一代嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列 （ eWLB） 技術(shù)的基礎(chǔ)上，合作開發(fā)了下一代的 eWLB 半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝技術(shù)。目前已開發(fā)出具有8 mm×8 mm 封裝的集成天線制作的四通道收發(fā)器。該天線采用 ＲDL 層中的金屬結(jié)構(gòu)，并集成于封裝中，為在 5G 等毫米波領(lǐng)域應(yīng)用的雷達(dá)系統(tǒng)封裝提供了解決方案［36］。近期，中芯長電公司發(fā)布了 SmartAiPTM 工藝平臺(tái)制作的世界首個(gè)超寬頻雙極化的 5G 毫米波天線芯片的晶圓級(jí)集成封裝，具有集成度高、散熱性好、工藝簡練的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn) 24～43 GHz 的超寬頻信號(hào)收發(fā)，達(dá)到 12. 5 dB 的超高天線增益。

4 結(jié)束語

在未來的較長時(shí)間里， 5G 架構(gòu)將繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)、 無線訪問和物理層不斷發(fā)展，需要在 ＲF/ 毫米波集成電路、毫米波天線陣列技術(shù)等方面擁有多種創(chuàng)新型產(chǎn)品組合，從而推動(dòng) 5G 無線電和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。例如， 5G 中功率放大器、天線、濾波器和匹配電路的數(shù)量可以高達(dá) 64 個(gè)或更多。這些組件在效率和集成度方面的提升對(duì)無線電的總體能效和性能十分重要。具有大量天線、頻率為27 GHz 及以上的高集成度 MIMO 無線電是 5G 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。上述三種集成方案可用于毫米波天線設(shè)計(jì)。以 60 GHz 頻段為例， AoC 器件的輻射效率和增益指標(biāo)落后于 AiP 器件和混合方案。AiP 器件和混合器件實(shí)現(xiàn)了最佳輻射效率，因此可以認(rèn)為選用 AiP 技術(shù)比選用 AoC 技術(shù)更合適。AiP 技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活性和印刷天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于復(fù)雜的多層封裝結(jié)構(gòu)，可能不具備與 AoC 技術(shù)和混合方案同等成本競爭的條件。此外， AiP 方案芯片到芯片的互連會(huì)導(dǎo)致熱損失、延遲和設(shè)計(jì)量增加。混合方案似乎是最好的方案。但是，當(dāng)頻率超過 60 GHz 時(shí)，典型的混合技術(shù)、 AiP 都是不夠成熟的方案。而 AoC 方案會(huì)更加完善，且已在 THz 波段進(jìn)行了測試。據(jù)預(yù)期，AoC 方案在高頻具有更大發(fā)展空間。

天線集成的一個(gè)根本解決方案是將一個(gè)相控陣所需的所有東西集成到一個(gè)芯片上，這是硅基毫米波天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。不僅集成電子器件，而且集成通向晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)的高效率天線。晶圓級(jí)相控陣就可放置在輸入/輸出數(shù)據(jù)信號(hào)高達(dá) Gbit/s、布置有控制器件和電源器件的低成本印刷電路板上。整個(gè)毫米波功能均集成于同一芯片上，這種晶圓規(guī)模的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完全自包含的解決方案。

原文標(biāo)題：毫米波天線集成技術(shù)研究進(jìn)展

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