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計

汪鑫+王啟東++曹立強

摘 要： 討論了毫米波微帶天線的工作原理、結構及其與射頻前端的集成。介紹了基于CST STUDIO SUITE 2014軟件設計中心頻率為27 GHz微帶天線的整個設計流程。設計了以Rogers 5880有機基板為介質材料的27 GHz毫米波微帶天線，相對于以LTCC為介質的天線擁有低成本、低剖面的優點。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。論證毫米波微帶天線與射頻前端集成的可行性。所設計的微帶天線尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，天線的增益達到了7.62 dBi，輻射效率高達93%，相對帶寬為2.3%，且實測值與仿真值吻合得很好，驗證了設計的正確性。

關鍵詞： 毫米波； 微帶天線； 系統集成； 輻射效率

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

為了實現海量的數據傳輸和彌補匱乏的可用頻譜，提高載波頻率是必然的解決方案。因此，毫米波技術（3～300 GHz）有可觀的商業前景[1]，作為無線通信系統的一個重要環節，毫米波天線也成為國內外一個研究熱點。微帶貼片天線具有低剖面的平面結構，便于共形，制造簡單，成本低，有相對較高的增益且易于安裝到主機和集成到微波電路[2]。通過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、醫療器械等領域有廣闊的應用前景。微帶天線已經大量應用在100 MHz～300 GHz頻段上。在無線系統小型化中，天線封裝（AiP）已經占據很重要的位置且是重要的發展方向，AiP被認為是在毫米波高速短距離無線系統中最有前景的天線解決方案。AiP結合天線和高度集成的無線電模塊，具有標準的表面安裝的芯片級封裝。

微帶貼片天線已經大量地應用在毫米波頻段，因為微帶天線本身的原因，襯底的介電常數[5]一般為2～10。因此，大部分設計采用低溫共燒陶瓷技術（LTCC）來滿足襯底的要求，但是相對于傳統的印刷電路板技術，這大大的增加了生產成本[6?7]。另外，還有一些其他類型的天線也被應用在毫米波頻段，例如端射天線[8]、環形天線[9]、偶極子天線[10]、螺旋天線[4]等。但因為其天線本身不利于共行，后瓣大、非平面結構，加之結構相對復雜，不易于大規模生產。endprint

本文基于微帶貼片天線自身的優點，設計的中心頻率為27 GHz，選用有機介質Rogers 5880作為襯底，采用工藝成熟的印刷電路板技術，相對于LTCC工藝，生產成本相對較低。天線的尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，實現了小型化、低剖面特點，可與射頻系統等集成，實現天線封裝。

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。對于圖1（a）所示的矩形貼片微帶天線，采用傳輸線模型來分析其性能。假設輻射貼片的長度[L]近似為半波長，寬度為[W，]介質基片的厚度為[h，]工作波長為[λ。]可以將輻射貼片、介質基片和接地板視為一段長為[λ2]的低阻抗微帶傳輸線，且傳輸線的兩端斷開形成開路。由于介質基片的厚度[h?λ，]故電場沿著厚度[h]方向基本上沒有變化。在最簡單的情況下，可以假設電場沿著寬度[W]方向也沒有變化。那么，在只考慮主模激勵（TM10模）的情況下，傳輸線的場結構如圖1（b）所示，輻射基本上可以認為是由輻射貼片開路邊的邊緣引起的。在兩開路端的電場可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量。由于貼片的長度約為半個波長，因此兩開路端電場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可以等效為無限大平面上的同相激勵的兩個縫隙，縫隙的寬度為[ΔL]（近似于基片的厚度h），長度為[W，]兩縫相距為半個波長，縫隙的電場沿著[W]方向均勻分布，電場垂直于[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[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） 為了產生高輻射效率，貼片天線的寬度設計公式如下[3]：

[Wpatch=c2fεr] （1）

式中：c為光速；[εr]為介質的介電常數。

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

[Lpatch=c2fεreff-2ΔL] （2）

[λ=λ0εreff] （3）

式中：[λ]是介質內的導波波長；[λ0]為自由空間波長；[εreff]為有效介電常數；[ΔL]為等效縫隙長度。等效介電常數及等效縫隙長度公式如下[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度有關的函數，公式[3]如下：

[f=12L+2ΔLμ0ε0εreff] （6）

（4） 因為天線最終是需要和發射機或者接收機連在一起的，然而連接天線與外部器件一般都是用50 Ω的饋線，所以為了達到阻抗匹配，需要知道天線的輻射阻抗，利用[14]波長轉接線進行天線與饋線的匹配，于是得到天線和轉接線的阻抗公式[3?4]：

[Zpatch=90×ε2rεr-1LpatchWpatch2] （7）

[Zstub=Zpatch×50] （8）

2 微帶貼片天線的仿真及優化

2.1 27 GHz微帶貼片天線參數確定

本文選用的介質材料為Rogers 5880，相對介電常數[εr=2.2，]介質損耗角[tanδ=0.000 9，]介質厚度[H=]0.254 mm，中心頻率[f=27]GHz。未知參數由式（1）～式（8）可得：輻射貼片寬度[Wpatch=3.88]mm，輻射貼片長度[Lpatch=3.62]mm，有效介電常數[εreff=2.05，][14]轉接線阻抗[Zstub=130 ]Ω。利用Agilent 公司的Advanced Design System（ADS） 軟件里面的微帶線計算工具LineCalc計算微帶線寬度，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化值差異分析

表1為27 GHz理論設計值與優化后的值，表2為理論設計值與優化后的天線性能比較。

之所以會出現這樣的偏差是因為設計得到的天線參數都是經驗公式，經驗公式省略了一些參數，本文用的等效模型就是傳輸線模型，里面簡化了一些小的電感、電容，而仿真是基于實際情況。這種偏差可以通過優化天線的主要參數使天線的電性能達到最佳。最終得到的天線參數如下：天線的輻射貼片長[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微帶饋線更好地實現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） 單短截線調諧，該技術使用單個開路或者短路的傳輸線段（短截線）在距離負載某一確定的位置與傳輸饋線并聯或者串聯。這種調諧電路很方便，但負載到短截線所在的位置卻不是很好計算，加之貼片天線的大小是確定的，所以本文不用這個方法。endprint