一種用于集成天線封裝（AiP）的低剖面、低成本的毫米波微帶天線設(shè)計(jì)

汪鑫+王啟東++曹立強(qiáng)

摘 要： 討論了毫米波微帶天線的工作原理、結(jié)構(gòu)及其與射頻前端的集成。介紹了基于CST STUDIO SUITE 2014軟件設(shè)計(jì)中心頻率為27 GHz微帶天線的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)了以Rogers 5880有機(jī)基板為介質(zhì)材料的27 GHz毫米波微帶天線，相對(duì)于以LTCC為介質(zhì)的天線擁有低成本、低剖面的優(yōu)點(diǎn)。提出一種毫米波微帶天線與射頻前端的集成方案，建立了天線與帯通濾波器仿真模型并提取[S]參數(shù)。論證毫米波微帶天線與射頻前端集成的可行性。所設(shè)計(jì)的微帶天線尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，天線的增益達(dá)到了7.62 dBi，輻射效率高達(dá)93%，相對(duì)帶寬為2.3%，且實(shí)測(cè)值與仿真值吻合得很好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞： 毫米波； 微帶天線； 系統(tǒng)集成； 輻射效率

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）19?0001?05

Design of a low?profile and low?cost millimeter?wave microstrip antenna

for antenna?in?package （AiP） integration

WANG Xin1， 2， WANG Qidong1， 2， CAO Liqiang1， 2

（1. Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China； 2. National Center for Advanced Packaging Co.， Ltd.， Wuxi 214135， China）

Abstract： The working principle and structure of millimeter?wave microstrip antenna and its integration with RF front?end are discussed. The whole design process of the microstrip antenna （whose center frequency is 27 GHz） based on CST STUDIO SUITE 2014 software is introduced. The millimeter?wave microstrip antenna working at 27 GHz was design， in which the Rogers 5880 organic substrate is utilized as the dielectric material. It has the advantages of low cost and low profile in comparison with the antenna taking LTCC as its dielectric. An integration scheme for millimeter?wave microstrip antenna and RF front?end is presented. The simulation model of the antenna and band?pass filter （BPF） is established， and the [S]?parameter is extracted. The feasibility of the integration for millimeter?wave microstrip antenna and RF front?end is discussed. The size of the designed microstrip antenna is only 3.8 mm×3.5 mm， the gain of the antenna can reach up to 7.62 dBi， the radiation efficiency can reach up to 93%， and the relative bandwidth is 2.3%. The measured results are in good agreement with the simulation values， which can verify the validity of the design.

Keywords： millimeter wave； microstrip antenna； system integration； radiation efficiency

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)海量的數(shù)據(jù)傳輸和彌補(bǔ)匱乏的可用頻譜，提高載波頻率是必然的解決方案。因此，毫米波技術(shù)（3～300 GHz）有可觀的商業(yè)前景[1]，作為無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，毫米波天線也成為國(guó)內(nèi)外一個(gè)研究熱點(diǎn)。微帶貼片天線具有低剖面的平面結(jié)構(gòu)，便于共形，制造簡(jiǎn)單，成本低，有相對(duì)較高的增益且易于安裝到主機(jī)和集成到微波電路[2]。通過(guò)選擇特定的貼片形狀和饋電方式可以獲得所需的諧振頻率、極化、模式、阻抗[3?4]。在通信、雷達(dá)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。微帶天線已經(jīng)大量應(yīng)用在100 MHz～300 GHz頻段上。在無(wú)線系統(tǒng)小型化中，天線封裝（AiP）已經(jīng)占據(jù)很重要的位置且是重要的發(fā)展方向，AiP被認(rèn)為是在毫米波高速短距離無(wú)線系統(tǒng)中最有前景的天線解決方案。AiP結(jié)合天線和高度集成的無(wú)線電模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)的表面安裝的芯片級(jí)封裝。

微帶貼片天線已經(jīng)大量地應(yīng)用在毫米波頻段，因?yàn)槲炀€本身的原因，襯底的介電常數(shù)[5]一般為2～10。因此，大部分設(shè)計(jì)采用低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）來(lái)滿足襯底的要求，但是相對(duì)于傳統(tǒng)的印刷電路板技術(shù)，這大大的增加了生產(chǎn)成本[6?7]。另外，還有一些其他類型的天線也被應(yīng)用在毫米波頻段，例如端射天線[8]、環(huán)形天線[9]、偶極子天線[10]、螺旋天線[4]等。但因?yàn)槠涮炀€本身不利于共行，后瓣大、非平面結(jié)構(gòu)，加之結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不易于大規(guī)模生產(chǎn)。endprint

本文基于微帶貼片天線自身的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的中心頻率為27 GHz，選用有機(jī)介質(zhì)Rogers 5880作為襯底，采用工藝成熟的印刷電路板技術(shù)，相對(duì)于LTCC工藝，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。天線的尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，實(shí)現(xiàn)了小型化、低剖面特點(diǎn)，可與射頻系統(tǒng)等集成，實(shí)現(xiàn)天線封裝。

1 微帶天線分析

1.1 傳輸線模型分析法

微帶天線的分析有很多方法，主要有傳輸線模型法、諧振腔模型法、全波模型法。傳輸線模型法是所有方法中最簡(jiǎn)單的，而且物理意義清晰明了。本文主要介紹傳輸線模型分析方法。對(duì)于圖1（a）所示的矩形貼片微帶天線，采用傳輸線模型來(lái)分析其性能。假設(shè)輻射貼片的長(zhǎng)度[L]近似為半波長(zhǎng)，寬度為[W，]介質(zhì)基片的厚度為[h，]工作波長(zhǎng)為[λ。]可以將輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板視為一段長(zhǎng)為[λ2]的低阻抗微帶傳輸線，且傳輸線的兩端斷開形成開路。由于介質(zhì)基片的厚度[h?λ，]故電場(chǎng)沿著厚度[h]方向基本上沒(méi)有變化。在最簡(jiǎn)單的情況下，可以假設(shè)電場(chǎng)沿著寬度[W]方向也沒(méi)有變化。那么，在只考慮主模激勵(lì)（TM10模）的情況下，傳輸線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，輻射基本上可以認(rèn)為是由輻射貼片開路邊的邊緣引起的。在兩開路端的電場(chǎng)可以分解為相對(duì)于接地板的垂直分量和水平分量。由于貼片的長(zhǎng)度約為半個(gè)波長(zhǎng)，因此兩開路端電場(chǎng)的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，兩開路端的水平分量電場(chǎng)可以等效為無(wú)限大平面上的同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫隙的寬度為[ΔL]（近似于基片的厚度h），長(zhǎng)度為[W，]兩縫相距為半個(gè)波長(zhǎng)，縫隙的電場(chǎng)沿著[W]方向均勻分布，電場(chǎng)垂直于[W]的方向，如圖1（c）所示。

1.2 微帶貼片天線的理論模型及有效寬度、有效長(zhǎng)度、諧振頻率理論公式

在傳輸線模型中，兩端的輻射縫隙被看成是傳輸線兩端的等效電納[Y]（電導(dǎo)[G]和電納[B]），它的傳輸線等效電路如圖2所示[11]。

其中：

總的諧振輸入阻抗為：

[Zin=1Yin=12G1]

（1） 為了產(chǎn)生高輻射效率，貼片天線的寬度設(shè)計(jì)公式如下[3]：

[Wpatch=c2fεr] （1）

式中：c為光速；[εr]為介質(zhì)的介電常數(shù)。

（2） 輻射貼片的長(zhǎng)度一般取[λ2，]但由于邊緣效應(yīng)，微帶天線的電尺寸要比實(shí)際尺寸大。如圖1（c）所示，實(shí)際的輻射貼片天線的長(zhǎng)度應(yīng)為[3?4]：

[Lpatch=c2fεreff-2ΔL] （2）

[λ=λ0εreff] （3）

式中：[λ]是介質(zhì)內(nèi)的導(dǎo)波波長(zhǎng)；[λ0]為自由空間波長(zhǎng)；[εreff]為有效介電常數(shù)；[ΔL]為等效縫隙長(zhǎng)度。等效介電常數(shù)及等效縫隙長(zhǎng)度公式如下[3]：

[εreff=εr+12+εr-121+12hWpatch-12] （4）

[ΔL=0.412εreff+0.3Wpatchh+0.264εreff-0.258hWpatch+0.8h] （5）

（3） 微帶傳輸線天線的諧振頻率是和長(zhǎng)度有關(guān)的函數(shù)，公式[3]如下：

[f=12L+2ΔLμ0ε0εreff] （6）

（4） 因?yàn)樘炀€最終是需要和發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)連在一起的，然而連接天線與外部器件一般都是用50 Ω的饋線，所以為了達(dá)到阻抗匹配，需要知道天線的輻射阻抗，利用[14]波長(zhǎng)轉(zhuǎn)接線進(jìn)行天線與饋線的匹配，于是得到天線和轉(zhuǎn)接線的阻抗公式[3?4]：

[Zpatch=90×ε2rεr-1LpatchWpatch2] （7）

[Zstub=Zpatch×50] （8）

2 微帶貼片天線的仿真及優(yōu)化

2.1 27 GHz微帶貼片天線參數(shù)確定

本文選用的介質(zhì)材料為Rogers 5880，相對(duì)介電常數(shù)[εr=2.2，]介質(zhì)損耗角[tanδ=0.000 9，]介質(zhì)厚度[H=]0.254 mm，中心頻率[f=27]GHz。未知參數(shù)由式（1）～式（8）可得：輻射貼片寬度[Wpatch=3.88]mm，輻射貼片長(zhǎng)度[Lpatch=3.62]mm，有效介電常數(shù)[εreff=2.05，][14]轉(zhuǎn)接線阻抗[Zstub=130 ]Ω。利用Agilent 公司的Advanced Design System（ADS） 軟件里面的微帶線計(jì)算工具LineCalc計(jì)算微帶線寬度，50 Ω微帶饋線寬度為[Wfeed=0.77] mm。

2.2 微帶貼片天線理論尺寸與優(yōu)化值差異分析

表1為27 GHz理論設(shè)計(jì)值與優(yōu)化后的值，表2為理論設(shè)計(jì)值與優(yōu)化后的天線性能比較。

之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的偏差是因?yàn)樵O(shè)計(jì)得到的天線參數(shù)都是經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)公式省略了一些參數(shù)，本文用的等效模型就是傳輸線模型，里面簡(jiǎn)化了一些小的電感、電容，而仿真是基于實(shí)際情況。這種偏差可以通過(guò)優(yōu)化天線的主要參數(shù)使天線的電性能達(dá)到最佳。最終得到的天線參數(shù)如下：天線的輻射貼片長(zhǎng)[Lpatch=3.5 ]mm，輻射貼片寬度[Wpatch=3.8 mm，]50 Ω微帶饋線線寬[Wfeed=0.8 mm，][14]轉(zhuǎn)接線線寬[Wstub=0.15 mm，]天線的整體尺寸為20 mm×20 mm。在2014 CST軟件中建立的模型如圖3所示。

2.3 50 Ω微帶饋入端與天線的匹配方式

由式（7）可得出，貼片天線的阻抗為339 Ω。微帶貼片最終與射頻前端互連的是一條50 Ω的微帶饋線。為了使貼片天線與50 Ω微帶饋線更好地實(shí)現(xiàn)電磁能量的有效傳遞，它們必須阻抗匹配。目前阻抗匹配的方法有：

（1） 單短截線調(diào)諧，該技術(shù)使用單個(gè)開路或者短路的傳輸線段（短截線）在距離負(fù)載某一確定的位置與傳輸饋線并聯(lián)或者串聯(lián)。這種調(diào)諧電路很方便，但負(fù)載到短截線所在的位置卻不是很好計(jì)算，加之貼片天線的大小是確定的，所以本文不用這個(gè)方法。endprint