基于封装天线(AiP)的过孔分析

1 引言

无线通信技术的发展要求RF系统体积越来越小，功能越来越强大。传统方法将芯片级天线与RF收发机一起安装在PCB电路板上，天线占据的空间阻碍了系统的小型化。为了克服芯片级天线的缺点，与单芯片接收机更好的匹配，最近几年，张跃平等提议了封装天线（AiP）。第一个封装天线是在陶瓷封装中实现，天线与单芯片收发机之间的互相影响、封装天线的优化设计、双通带封装天线、封装天线的等效电路、天线与放大器的协同设计等均被人们研究。本文研究了封装天线中过孔对天线性能的影响，并提出了这种天线的等效电路。结果表明，不同位置和数量的接地孔对天线的性能有不同的影响，合理选择封装过程中的接地结构，可以有效改善天线的带宽。

2 封装天线概念

图1为封装天线的结构示意图，自上而下依次为：天线、中间介质层(内部有空腔)、系统PCB。一般IC芯片封装的上表面是用来标识生产厂家和产品型号的，封装天线将天线集成在芯片上表面，在封装的中间层即天线的下方有一个内部空腔，用来放置其他RF模块。为了减少天线与腔体内RF模块的耦合，在两层之间加入了一个额外的金属层，可以把它看作天线的地平面，它通过四周均匀分布的金属过孔与整个RF系统地平面连接，这些金属过孔的位置和数量会影响天线与腔体内RF模块的性能。

图1 为封装天线的结构示意图

图2 天线结构图

3 过孔分析

包含四层介质，使用的是厚度为0.8mm的FR4，上面三层尺寸均为20mm×20mm×0.8mm，底层为系统板，尺寸为40mm×40mm×0.8mm。中间介质层由两层介质构成，上层介质中空腔尺寸为10mm×10mm×0.8mm，下层中介质空腔尺寸为14mm×14mm×0.8mm，即形成的是一阶梯型的腔体，在两层中间台阶面处有连接RF模块键合线的信号线层。系统地在底层介质的地面，方便安装与测量。由于腔体内RF模块位于中间位置，限制了天线馈电位置，为了实现阻抗匹配，天线采用同轴加微带的复合馈电方式。为了减少外界与天线对腔体内模块的影响，一般过孔数量越多越好，可均匀分布于腔体四周。但过孔数量越多，加工难度越大，并且由于信号线层信号线分布较密集，能布置过孔的位置非常有限，通常只能在四周或者RF模块的地线处布置过孔。

根据常用过孔直径和实际加工条件，过孔直径选为0.5mm。将过孔数量分为：1个、2个、4个和四周均匀分布(每排九个过孔，两个孔中心间距为2mm)四种情况来研究，具体分布位置见图3，以天线介质中心为坐标原点，横向为x轴，纵向为y轴，除四周均匀分布外过孔均布置于纵向。过孔圆心坐标为（xi，yi），下标i表示第几个孔。不同数量过孔仿真结果如表1-4，从表中可以看到，过孔数量为一个时，天线性能基本不随过孔的位置变化而变化，带宽基本不变，中心频率略有偏移。四个过孔时，位置对天线性能有较大影响。过孔均匀分布四周时天线性能与一个过孔时接近。因此在考虑制作成本或者天线结构不允许时，连接天线地和系统地的过孔数量可以减少，最少可以为一个。

图3 过孔分布示意图

表1 一个过孔（x1=8mm）

表2 两个过孔（x1= x2=8mm）

表3 四个过孔