面向系統(tǒng)集成的散熱天線設(shè)計(jì)

周 禮，唐 旻，錢佳唯，張躍平，毛軍發(fā)

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系，上海 200240；2.新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，新加坡 639798）

1 引言

隨著系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化、低功耗、高集成度的無(wú)線通信系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了充分利用空間資源，通常要求將有源芯片、無(wú)源器件以及天線結(jié)構(gòu)集成在十分有限的空間內(nèi)［1，2］.雖然系統(tǒng)的輸入總功率有所降低，但是由于整體尺寸的顯著減小，其中的功率密度反而增加，散熱問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重.集成系統(tǒng)內(nèi)部工作溫度的上升容易引起器件性能的惡化，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，甚至嚴(yán)重?fù)p毀.因此，在系統(tǒng)的電磁設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要同時(shí)考慮系統(tǒng)的散熱性能.

為了降低熱點(diǎn)溫度，保證系統(tǒng)的正常工作，在高功率密度的無(wú)線通信集成系統(tǒng)中，往往需要引入額外的散熱結(jié)構(gòu)，例如鰭片式金屬散熱器等.然而，由于金屬散熱片通常緊鄰集成電路，其易與芯片、互連線、天線等各種有源和無(wú)源器件產(chǎn)生電磁耦合，引起電磁兼容問(wèn)題，導(dǎo)致能量損耗或引入額外噪聲［3，4］.尤其是對(duì)于包含天線的集成系統(tǒng)，金屬散熱片自身的寄生輻射還有可能導(dǎo)致天線性能的惡化，從而干擾通信系統(tǒng)的正常工作.

針對(duì)金屬散熱片引起的電磁兼容問(wèn)題，常見的解決方案是通過(guò)引入額外的屏蔽結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化布局來(lái)抑制金屬散熱片引起的近場(chǎng)耦合和寄生輻射問(wèn)題［5～8］，但同時(shí)這樣也會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本.為了同時(shí)兼顧無(wú)線通信集成系統(tǒng)的電磁性能和散熱性能，對(duì)散熱片的輻射特性進(jìn)行有效利用，將其設(shè)計(jì)為一個(gè)無(wú)線信號(hào)的高效輻射體，則是一種更加行之有效的解決方案.在此背景下，兼具電磁輻射特性和散熱性能的散熱天線受到了人們的重點(diǎn)關(guān)注.散熱天線不僅可以解決散熱片的近場(chǎng)耦合和寄生輻射問(wèn)題，降低散熱片對(duì)系統(tǒng)性能的影響；還可以實(shí)現(xiàn)散熱結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)的一體化，減少系統(tǒng)的器件數(shù)量，提高系統(tǒng)的集成度.

本文將針對(duì)無(wú)線通信集成系統(tǒng)的散熱天線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜述和討論.首先介紹散熱單天線的典型結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)散熱性能的設(shè)計(jì)方法；接下來(lái)，針對(duì)5G 無(wú)線通信系統(tǒng)的工作需求，重點(diǎn)闡述毫米波散熱天線陣列結(jié)構(gòu)以及電熱協(xié)同設(shè)計(jì)方法；最后，對(duì)面向系統(tǒng)集成的散熱天線設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和展望.

2 散熱單天線設(shè)計(jì)

目前，散熱單天線的主要形式有兩類.第一類是在貼片天線上方搭載鰭片式或分形式金屬散熱片，增加整體結(jié)構(gòu)的散熱面積，同時(shí)提升天線的輻射性能；第二類則是采用表面積較大的貼片天線直接與空氣對(duì)流散熱.

最早提出的散熱天線概念［9］是一種兼具電磁輻射特性和散熱性能的新型結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)天線和散熱器的功能一體化.例如，基于傳統(tǒng)印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的微帶貼片天線，在其上方搭載了一個(gè)金屬鰭片式散熱片，從而將散熱片結(jié)構(gòu)和天線結(jié)合，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示［10］.在貼片中心有一根較粗的導(dǎo)熱過(guò)孔，用于向散熱片傳遞需要耗散的熱量，而在貼片邊緣還有一根較細(xì)的信號(hào)過(guò)孔，用于向散熱天線饋電.通過(guò)仿真分析，額外加載的金屬散熱片不僅沒有降低或者惡化天線的輻射性能，反而起到了類似金屬引向器的效果，增強(qiáng)了原本微帶貼片天線的輻射強(qiáng)度.為了驗(yàn)證上述方案的電磁性能，本文設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)工作在2.4 GHz 的散熱天線結(jié)構(gòu)，如圖2 所示［9］.實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的微帶貼片天線，在加載金屬鰭片式散熱片的情況下，工作頻率下降了165 MHz，輻射效率由33%提高到62%，最大增益由2.5 dBi 提高到4.5 dBi.

圖1 散熱天線構(gòu)架示意圖[10]

圖2 基于貼片天線的散熱天線樣品[9]

在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步考慮了金屬散熱鰭片與微帶貼片正交方向?qū)μ炀€輻射的影響［11］，并分別研究了散熱鰭片平行于輻射邊以及平行于非輻射邊的場(chǎng)景，如圖3 所示.由于散熱鰭片改變了貼片天線的輸入阻抗，因此在饋線部分添加了一個(gè)枝節(jié)線用于調(diào)諧.圖4給出了散熱天線與基本貼片天線的回波損耗的測(cè)量結(jié)果比較.可以發(fā)現(xiàn)，散熱天線的工作帶寬具有顯著優(yōu)勢(shì).此外，在散熱鰭片平行于微帶貼片非輻射邊的情況下，散熱天線的方向性和增益要優(yōu)于散熱鰭片平行于微帶貼片輻射邊的情況，兩者的輻射效率則比較接近.

圖3 散熱天線樣品[11]

圖4 天線回波損耗的測(cè)試結(jié)果比較[11]

作為傳統(tǒng)散熱片形式的一種擴(kuò)展，基于3D 打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)分形結(jié)構(gòu)的散熱天線［12］，如圖5所示.相比單一的微帶貼片天線，對(duì)金屬散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分形化設(shè)計(jì)可增大散熱面積，還能進(jìn)一步改善散熱天線的輻射效率和方向性，分別提高至98%和8.21 dBi.

圖5 3D打印分形散熱天線樣品[12]

此外，針對(duì)GSM900，GSM1800和3G的三頻段天線，采用在貼片上增加散熱鰭片的設(shè)計(jì)方案，可在加強(qiáng)散熱的同時(shí)將天線輻射效率提升20%，增益提高2～3.5 dB［13］.在微帶貼片和鰭狀散熱片之間配置微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，通過(guò)開關(guān)的通斷可以調(diào)節(jié)天線的散熱和電磁性能［14］，天線增益從5.9 dBi 提升至8.2 dBi，天線溫度最多可降低27 ℃.

作為第二類散熱天線形式，采用空氣介質(zhì)的微帶貼片天線可以利用空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)散熱天線的效果.例如，有學(xué)者提出一種采用空氣介質(zhì)的射頻有源散熱天線［15］，如圖6所示.在貼片天線中心有一根較粗的導(dǎo)熱過(guò)孔，用于向散熱貼片傳遞需要耗散的熱量，而在貼片邊緣通過(guò)一根短饋線給微帶貼片天線饋電.該天線增益可達(dá)5 dBi，由于中心頻率工作在2 GHz，貼片天線尺寸較大，具有充分的空氣接觸面積，因此無(wú)需額外散熱結(jié)構(gòu)，自身即可實(shí)現(xiàn)很好的散熱效果，其熱阻為6～8 K/W.

圖6 有源散熱天線樣品[15]

除了通過(guò)貼片天線直接散熱，還可通過(guò)在有源微帶貼片的表面添加額外藍(lán)寶石層來(lái)增強(qiáng)散熱效果［16］，如圖7 所示.研究表明，藍(lán)寶石層對(duì)天線的增益、方向圖和回波損耗均不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，并且能夠起到很好的散熱效果，散熱功率密度可達(dá)1 W/cm2.在9 W的輸入功率和26 ℃的測(cè)試環(huán)境溫度下，有、無(wú)藍(lán)寶石散熱層的天線表面溫度分別為80 ℃和137 ℃，實(shí)現(xiàn)了接近60 ℃的顯著降溫，驗(yàn)證了藍(lán)寶石層的散熱增強(qiáng)效果.此外，還可設(shè)計(jì)散熱縫隙天線結(jié)構(gòu)［17］，如圖8 所示.其在完整的金屬地板上設(shè)計(jì)了U 型槽縫隙作為輻射源，因此余下的金屬地板部分可通過(guò)空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)有效的散熱效果.

圖7 擁有藍(lán)寶石層的微帶散熱天線樣品[16]

圖8 縫隙散熱天線樣品[17]

3 散熱天線陣列設(shè)計(jì)

上節(jié)主要介紹了散熱單天線的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，這些方案主要針對(duì)S，C 波段等低頻段的應(yīng)用場(chǎng)景.在低頻段工作時(shí)，由于天線尺寸較大，可將散熱片與貼片天線直接組合進(jìn)行散熱，或是設(shè)計(jì)與空氣接觸面積較大的天線結(jié)構(gòu)形式.而無(wú)線通信集成系統(tǒng)工作頻段較高，且通常采用相控陣技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的波束成形和波束偏轉(zhuǎn).高頻工作的陣列天線，其單元大小和間距通常很小，極大壓縮了金屬散熱片的設(shè)計(jì)空間.將散熱片與貼片天線直接組合進(jìn)行散熱的傳統(tǒng)方案不易于天線組陣，難以滿足高增益、窄波束、波束掃描等應(yīng)用場(chǎng)景的需求.因此，本節(jié)主要闡述應(yīng)用于毫米波頻段的散熱天線陣列設(shè)計(jì)方案.

目前常用的毫米波天線集成構(gòu)架是將散熱片或散熱裝置與天線陣列分置于系統(tǒng)的兩側(cè)［18～25］，如圖9 所示.此類方案在實(shí)現(xiàn)散熱性能的同時(shí)避免了散熱裝置對(duì)天線性能的影響，但附加的散熱裝置使系統(tǒng)器件數(shù)量和復(fù)雜程度均有所提升.而兼具電磁輻射特性和散熱性能的散熱天線方案不但可以實(shí)現(xiàn)散熱結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)的一體化，提高系統(tǒng)的集成度，并且還有助于提升天線的輻射性能.

圖9 天線集成架構(gòu)

針對(duì)毫米波5G 基站天線陣列中的熱管理問(wèn)題，可采取平面有源電掃描天線陣列的稀疏排列布局方法［26］.該方法在保持單元數(shù)不變前提下增加單元間距實(shí)現(xiàn)稀疏性，通過(guò)研究不同的稀疏陣列拓?fù)鋪?lái)提高天線陣列的散熱性能，同時(shí)降低旁瓣或柵瓣.圖10 給出了28.5 GHz 的帶有導(dǎo)熱過(guò)孔的單元間距為0.5λ 的8×8方形陣列仿真結(jié)果，可以看出，由于導(dǎo)熱過(guò)孔位于輻射片的中間，因此對(duì)電磁性能的影響很小.采用被動(dòng)冷卻的有源電掃描天線陣列與無(wú)風(fēng)扇的中央處理器散熱器相結(jié)合的思路，具有節(jié)能、成本低及有較大的波束成形靈活性的特點(diǎn)，為5G系統(tǒng)的熱管理提供了解決思路.

圖10 帶有散熱器的陣列仿真結(jié)果[26]

此外，基于新型封裝工藝，可實(shí)現(xiàn)一種用于毫米波多輸入多輸出和相控陣應(yīng)用的沖壓金屬封裝天線［27］.天線的饋電和短路金屬壁連接到芯片屏蔽結(jié)構(gòu)以引導(dǎo)射頻集成電路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）的熱量耗散，如圖11 所示.該1×8 陣列的阻抗帶寬為700 MHz，中心頻率為28.5 GHz，實(shí)測(cè)增益為13.78 dBi.其3 dB 的波束掃描范圍為-46°～+44°，最大副瓣電平小于-10 dB.熱仿真結(jié)果顯示，散熱天線結(jié)構(gòu)有助于RFIC 進(jìn)行熱量耗散，在環(huán)境溫度為25 ℃和換熱系數(shù)為10 W/m2K 的情況下，最高溫度由67.6 ℃降低至56.6 ℃.

圖11 沖壓金屬AiP[27]

結(jié)合周期性排布的散熱鰭片特征，是毫米波散熱天線陣列設(shè)計(jì)的另一個(gè)思路.例如，文獻(xiàn)［28］基于金屬鰭狀散熱片結(jié)構(gòu)，開發(fā)了工作頻率為60 GHz 的散熱天線陣列.鰭狀散熱片由3D 打印技術(shù)制造，其饋電網(wǎng)絡(luò)由低溫共燒陶瓷基板中的基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.天線單元為散熱片底座的矩形通腔與兩側(cè)鰭狀散熱片構(gòu)成的階梯剖面開口喇叭天線，如圖12所示，由SIW 上表面的矩形縫隙耦合饋電.在毫米波頻段，SIW 具有損耗小、抗干擾、抑制表面波等良好電磁特性.

圖12 散熱天線陣單元

散熱天線陣的整體結(jié)構(gòu)如圖13 所示［28］，散熱片與基板通過(guò)焊接組裝構(gòu)成4×4 散熱天線陣列.上層的SIW 為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)，包含16 個(gè)矩形腔.下層SIW 為1 分16 路的功率分配網(wǎng)絡(luò).兩層SIW 間采用金屬過(guò)孔探針的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)接［29］.從傳熱角度來(lái)看，SIW饋電網(wǎng)絡(luò)包含大量金屬過(guò)孔，它們可同時(shí)作為導(dǎo)熱過(guò)孔將基板底層貼裝芯片上的熱量有效傳導(dǎo)到上層的散熱片，如圖14所示.

圖13 鰭片式散熱天線陣列的分解圖[28]

圖14 散熱天線陣列中的傳熱示意圖

接下來(lái)，基于電熱協(xié)同設(shè)計(jì)，研究了鰭狀散熱片結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線電磁性能和散熱性能的影響.鰭狀散熱片的寬度w、高度g對(duì)天線溫度和增益影響的仿真結(jié)果如圖15 所示.天線的增益隨著散熱片的寬度增加而先升高，再逐漸趨于穩(wěn)定.增益受散熱片的高度的影響與寬度的影響類似，先隨高度增加而升高，再在小范圍內(nèi)波動(dòng)；而寬度與高度的增加顯著增大了散熱片與空氣的熱交換面積，提升了散熱能力.在綜合考慮天線電磁性能和散熱性能后，可最終確定金屬鰭片的尺寸.作為散熱效果的仿真驗(yàn)證，假設(shè)結(jié)構(gòu)底部貼裝的芯片耗散功率為0.2 W，在環(huán)境溫度和換熱系數(shù)分別為27 ℃和10 W/m2K 的情況下，加載金屬散熱片后的結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)溫度為313 K，比未加載散熱片時(shí)下降了40 K，實(shí)現(xiàn)了有效散熱.

圖15 散熱片尺寸對(duì)天線溫度和增益的影響

為了驗(yàn)證上述方案的電磁輻射特性，加工了散熱天線陣列樣品，如圖16 所示.通過(guò)測(cè)試得到天線陣列阻抗帶寬為11.7%（55.7～62.7 GHz），頻率范圍內(nèi)最高增益為18.1 dBi，如圖17所示.天線陣列在60 GHz處的歸一化方向圖如圖18 所示，E 面和H 面的波束寬度分別為15°和16°，副瓣電平均低于-12 dB.

圖16 鰭片式散熱天線樣品

圖17 散熱天線陣列仿真與測(cè)試結(jié)果

圖18 散熱天線陣列方向圖

為了擴(kuò)展天線的阻抗帶寬，降低副瓣電平，可采用一種3D金屬Vivaldi散熱天線陣列［30］.它由上層的金屬Vivaldi 輻射結(jié)構(gòu)、散熱片與下層的SIW 饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖19 所示.下層PCB 基板中包含1 分4 的SIW 功率分配網(wǎng)絡(luò)，芯片位于輻射中心下方.Vivaldi 天線單元由SIW 上的縱向縫隙饋電，以此取代傳統(tǒng)Vivaldi 天線的巴倫饋電結(jié)構(gòu).Vivaldi 天線兩側(cè)的鰭狀結(jié)構(gòu)不僅有助增強(qiáng)天線散熱性能，還可以改善天線的輻射特性.

圖19 Vivaldi散熱天線陣列分解圖[30]

基于電熱協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)Vivaldi 天線兩側(cè)散熱片的間距和高度進(jìn)行了仿真研究.當(dāng)間距增加時(shí)，天線增益逐漸增加至峰值，而后逐漸降低.而天線的溫度對(duì)散熱片的間距變化不敏感.散熱片的高度增加對(duì)天線增益的提升明顯，當(dāng)高度與Vivaldi 天線一致時(shí)，增益達(dá)到最大值.隨后高度的增加會(huì)使增益略微降低.同時(shí)，天線的溫度會(huì)隨散熱片的高度增加而逐漸降低.作為散熱效果的仿真驗(yàn)證，假設(shè)結(jié)構(gòu)底部貼裝的芯片耗散功率為0.5 W，在環(huán)境溫度和換熱系數(shù)分別為27 ℃和10 W/m2K 的情況下，加載Vivaldi 天線和散熱片結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)溫度為322 K，比未加載散熱片時(shí)下降了18 K，實(shí)現(xiàn)了有效散熱.

為了驗(yàn)證上述方案的電磁輻射特性，加工了散熱天線陣列樣品，如圖20 所示.通過(guò)測(cè)試得到天線陣列的阻抗帶寬為28.8%（21.63～28.83 GHz），工作頻率范圍內(nèi)最高增益為15.5 dBi，如圖21 所示.天線陣列在25 GHz 處的歸一化方向圖如圖22 所示，E 面和H 面的波束寬度分別為21°和40°，副瓣電平均低于-15 dB.

圖20 Vivaldi散熱天線陣列樣品

圖21 散熱天線仿真與測(cè)試結(jié)果

圖22 散熱天線方向圖

4 總結(jié)和展望

本文對(duì)無(wú)線通信集成系統(tǒng)的散熱天線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜述和討論.首先介紹了散熱單天線的典型結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)散熱性能的設(shè)計(jì)方法，包括在傳統(tǒng)微帶貼片天線上加載散熱片、采用分形結(jié)構(gòu)提高散熱性能、采用空氣介質(zhì)的微帶天線增加空氣對(duì)流散熱面積、添加藍(lán)寶石層來(lái)增強(qiáng)散熱效果等.進(jìn)一步，針對(duì)現(xiàn)有散熱單天線設(shè)計(jì)方案在毫米波天線以及陣列天線領(lǐng)域的應(yīng)用缺陷，著重介紹了基于3D打印技術(shù)的毫米波散熱天線陣列的電熱協(xié)同設(shè)計(jì)方案，包括金屬鰭片式散熱天線陣列以及金屬Vivaldi散熱天線陣列.仿真和測(cè)試結(jié)果表明，散熱天線兼具良好的電磁輻射特性和散熱性能，可成功實(shí)現(xiàn)天線和散熱器的功能一體化，提高系統(tǒng)的集成度.

隨著5G 無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通訊基站和終端產(chǎn)品中毫米波天線陣列的應(yīng)用越來(lái)越普及，對(duì)集成系統(tǒng)的散熱要求也越來(lái)越高.因此，面向毫米波頻段的散熱天線陣列技術(shù)將有非常廣泛的應(yīng)用前景.雖然目前已取得了一些初步研究進(jìn)展，但是距離產(chǎn)品實(shí)用化還有不少差距，仍存在一系列理論問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)亟待突破解決，可歸結(jié)為以下3個(gè)方面.

其一，毫米波散熱天線陣列的設(shè)計(jì)不僅涉及電磁兼容、阻抗匹配、模式匹配等復(fù)雜的電磁問(wèn)題，還需要綜合考慮集成系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中它們之間通常會(huì)產(chǎn)生矛盾.天線類型的選擇對(duì)組陣、高增益、窄波束和波束掃描等技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有重要的影響.同時(shí)，不同類型的天線結(jié)構(gòu)以及不同芯片的位置布局，還決定了系統(tǒng)的溫度分布特征.因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，建立完善電熱協(xié)同設(shè)計(jì)理論和多目標(biāo)、多性能優(yōu)化技術(shù).

其二，毫米波散熱天線陣列的電磁性能和散熱性能與所采用的金屬材料、介質(zhì)基底材料以及熱界面材料等關(guān)系密切，同時(shí)還受到加工工藝的限制和影響.針對(duì)不同的封裝架構(gòu)，如板上芯片封裝、倒裝焊芯片封裝、帶有額外中介層的封裝等，需妥善解決封裝工藝中系統(tǒng)熱耗如何有效傳導(dǎo)至散熱天線的具體問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需全面考慮材料、工藝、成本、可靠性等綜合因素.

其三，為了提高無(wú)線通信集成系統(tǒng)的散熱能力，除了本文討論的被動(dòng)式散熱技術(shù)外，還可以采用風(fēng)冷、液冷、相變材料、熱管冷卻、熱電制冷等方式進(jìn)行.如何將毫米波天線技術(shù)與先進(jìn)制冷方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開發(fā)具備主動(dòng)散熱機(jī)制的毫米波散熱天線技術(shù)，值得進(jìn)一步研究探索.