基于封裝天線(xiàn)的過(guò)孔分析

封裝天線(xiàn)是指將天線(xiàn)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(xiàn)中連接天線(xiàn)地與系統(tǒng)地的過(guò)孔進(jìn)行了分析，具體研究了過(guò)孔數(shù)量與位置對(duì)天線(xiàn)性能的影響。過(guò)孔均勻分布四周和只有一個(gè)過(guò)孔時(shí)，天線(xiàn)性能沒(méi)有明顯變化，在過(guò)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(xiàn)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(xiàn)其測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

1、引言

無(wú)線(xiàn)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[1]。傳統(tǒng)方法將芯片級(jí)天線(xiàn)與RF收發(fā)機(jī)一起安裝在PCB電路板上，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)（AiP）[2]。第一個(gè)封裝天線(xiàn)是在陶瓷封裝中實(shí)現(xiàn)，天線(xiàn)與單芯片收發(fā)機(jī)之間的互相影響、封裝天線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、雙通帶封裝天線(xiàn)、封裝天線(xiàn)的等效電路、天線(xiàn)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(xiàn)中過(guò)孔對(duì)天線(xiàn)性能的影響，并提出了這種天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的帶寬。

2、封裝天線(xiàn)概念

圖1為封裝天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖，自上而下依次為：天線(xiàn)、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(xiàn)將天線(xiàn)集成在芯片上表面，在封裝的中間層即天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)與腔體內(nèi)RF模塊的性能。

圖 1 為封裝天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 天線(xiàn)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(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)饋電位置，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，天線(xiàn)采用同軸加微帶的復(fù)合饋電方式。為了減少外界與天線(xiàn)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[1-3]。但過(guò)孔數(shù)量越多，加工難度越大，并且由于信號(hào)線(xiàn)層信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性能有較大影響。過(guò)孔均勻分布四周時(shí)天線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)不允許時(shí)，連接天線(xiàn)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）

表2 兩個(gè)過(guò)孔（X1= X2=8mm）

表3 四個(gè)過(guò)孔

表4 四周均勻分布過(guò)孔

過(guò)孔數(shù)量為兩個(gè)時(shí)，在一些合適的位置，天線(xiàn)的帶寬展寬了一倍多。這主要是由于天線(xiàn)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(xiàn)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。

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的等效電路為一RLC并聯(lián)電路。

圖 4 封裝天線(xiàn)等效電路圖

封裝天線(xiàn)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，存在天線(xiàn)地和系統(tǒng)地。貼片、天線(xiàn)介質(zhì)、天線(xiàn)地可以等效為RLC并聯(lián)電路，但封裝天線(xiàn)的饋電接地端是系統(tǒng)地，系統(tǒng)地通過(guò)過(guò)孔與天線(xiàn)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(xiàn)、饋電部分、連接天線(xiàn)地與系統(tǒng)地的過(guò)孔部分。由于過(guò)孔的存在，使得天線(xiàn)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。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(cè)量結(jié)果

圖5為根據(jù)所研究的天線(xiàn)物理原型制作的天線(xiàn)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(xiàn)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。

圖 5 天線(xiàn)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