1 引言

無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展要求RF系統(tǒng)體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)大。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）。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。本文研究了封裝天線中過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)四周均勻分布的金屬過(guò)孔與整個(gè)RF系統(tǒng)地平面連接，這些金屬過(guò)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(guò)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，尺寸為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(cè)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(guò)孔數(shù)量越多越好，可均勻分布于腔體四周。但過(guò)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(guò)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(guò)孔。

根據(jù)常用過(guò)孔直徑和實(shí)際加工條件，過(guò)孔直徑選為0.5mm。將過(guò)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(guò)孔，兩個(gè)孔中心間距為2mm）四種情況來(lái)研究，具體分布位置見(jiàn)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(guò)孔均布置于縱向。過(guò)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(guò)孔仿真結(jié)果如表1-4，從表中可以看到，過(guò)孔數(shù)量為一個(gè)時(shí)，天線性能基本不隨過(guò)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(guò)孔時(shí)，位置對(duì)天線性能有較大影響。過(guò)孔均勻分布四周時(shí)天線性能與一個(gè)過(guò)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(guò)孔數(shù)量可以減少，最少可以為一個(gè)。

圖3 過(guò)孔分布示意圖

表1 一個(gè)過(guò)孔（x1=8mm）

y1（mm）中心頻率（GHz）絕對(duì)帶寬（GHz）

-85.2250.17

-45.2050.165

05.2350.165

45.220.175

85.2150.175

表2 兩個(gè)過(guò)孔（x1= x2=8mm）

y1，y2

（mm）中心頻率（GHz）絕對(duì)帶寬（GHz）

8，-85.2650.2

8，-45.210.39

8，05.2650.17

8，45.2450.165

4，-45.075， 5.3150.355

4，05.2850.17

表3 四個(gè)過(guò)孔

（x1，y1），（x2，y2）

（x3，y3），（x4，y4）中心頻率（GHz）絕對(duì)帶寬（GHz）

（8，-8），（8，8），

（-8，8），（-8，-8）4.965-10dB帶寬為0

（8，0），（0，8），（-8，0），（0，-8）5.2750.18

表4 四周均勻分布過(guò)孔

中心頻率（GHz）絕對(duì)帶寬（GHz）

5.220.14

過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)改變過(guò)孔數(shù)量與位置就達(dá)到增大帶寬的效果是很實(shí)用的。

圖4 封裝天線等效電路圖

以上討論的均為過(guò)孔沿縱向布置，當(dāng)其他參數(shù)不變，僅將過(guò)孔沿橫向布置時(shí)，天線性能沒(méi)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(méi)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(wèn)題分為內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)。分析內(nèi)場(chǎng)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。

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(guò)過(guò)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(guò)孔部分。由于過(guò)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(guò)孔的電感和電阻。Lgnd與Cgnd的值是通過(guò)電路仿真軟件優(yōu)化得到。最終的電路參數(shù)值在表5中給出。

表5 電路參數(shù)值

RantCantLantLfeed

134.9Ohm4.9pF0.19nH0.43nH

Lfeed1Cfeed1CfeedCgnd

1.31nH0.4pF0.24pF0.25pF

LgndLviaRvia

0.1nH0.87nH0.2Ohm

5 測(cè)量結(jié)果

圖5 天線實(shí)物照片

圖6 一個(gè)過(guò)孔（x1，y1）=（8，0）時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖7 兩個(gè)過(guò)孔x1= x2=8， y1=8，y2=-4時(shí)的測(cè)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(cè)量結(jié)果展示在圖6和7中，可以看出測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。當(dāng)兩個(gè)過(guò)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(cè)量的天線帶寬由一個(gè)過(guò)孔時(shí)0.13GHz展寬到0.45Ghz，比原來(lái)增加了兩倍多。測(cè)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。