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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的表面貼器件。本文對(duì)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(duì)天線性能的影響。過孔均勻分布四周和只有一個(gè)過孔時(shí)，天線性能沒有明顯變化，在過孔數(shù)量為兩個(gè)且位置合適時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)新的通帶大大展寬了頻帶。對(duì)所研究天線提出了其等效電路模型，對(duì)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(jí)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(jí)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(gè)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(jì)、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(jì)等均被人們研究[3-7]。本文研究了封裝天線中過孔對(duì)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(duì)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(shí)生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品型號(hào)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(gè)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(gè)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(gè)RF系統(tǒng)地平面連接，這些金屬過孔的位置和數(shù)量會(huì)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(tái)階面處有連接RF模塊鍵合線的信號(hào)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(duì)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(hào)線層信號(hào)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(gè)、2個(gè)、4個(gè)和四周均勻分布(每排九個(gè)過孔，兩個(gè)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(gè)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(gè)時(shí)，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(gè)過孔時(shí)，位置對(duì)天線性能有較大影響。過孔均勻分布四周時(shí)天線性能與一個(gè)過孔時(shí)接近。因此在考慮制作成本或者天線結(jié)構(gòu)不允許時(shí)，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(gè)。

圖 3 過孔分布示意圖

表1 一個(gè)過孔（X1=8mm）

表2 兩個(gè)過孔（X1= X2=8mm）

表3 四個(gè)過孔

表4 四周均勻分布過孔

過孔數(shù)量為兩個(gè)時(shí)，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(gè)合適的過孔連接下在原工作頻率附近又出現(xiàn)了一個(gè)新的通帶，兩個(gè)通帶組合在一起從而展寬了天線的帶寬。這對(duì)于設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(dòng)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(jì)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(gè)過孔中心坐標(biāo)為（8，8），（8，-4）時(shí)，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(gè)過孔時(shí)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(gè)過孔(x1，y1)=(8,0)時(shí)的測量結(jié)果

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