基于HDI技术的宽带磁电偶极子封装天线，适用于W波段应用

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：Broadband magnetoelectric dipole antenna-in-package based on HDI technology for W-band applications

　　

刘晓毅|李友|向世杰|孟宏福

中国东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室，南京 210096。

摘要

本文提出了一种基于高密度互连（HDI）技术的宽带磁电偶极子（ME-dipole）封装天线（AiP），适用于W波段应用。该ME-dipole天线采用L型探针激发，并通过衬底集成同轴线（SICL）进行馈电。一个简单的匹配结构用于补偿馈电路径周围的寄生电容，从而改善阻抗匹配。对于这种ME-dipole天线，模拟得到的-10 dB阻抗带宽（IMBW）覆盖了整个W波段，最大增益为6.6 dBi。基于所提出的ME-dipole天线，设计并测量的一个1×8线性阵列在82.5–116.0 GHz频段内实现了33.8%的-10 dB IMBW和12.6 dBi的最大增益。接下来，引入了半高电墙来抑制共模共振，使得平面阵列的实现成为可能。然后使用4×4阵列研究了其波束扫描能力，该阵列在宽频带范围内实现了宽角度扫描。最终制造的被动4×4平面阵列在86.1–113.8 GHz频段内实现了27.7%的-10 dB IMBW和14.0 dBi的最大增益。由于结构简单、尺寸紧凑以及远场性能稳定，这种天线非常适合W波段 phased 阵系。

引言

W波段在毫米波频谱中占有重要地位，其频率范围为75至110 GHz，对应于大气窗口[1]。由于其较大的可用带宽和较短的波长[2]、[3]、[4]，W波段在高速通信、雷达传感和成像系统中具有显著优势[2]、[3]、[4]。此外，具有宽波束扫描能力的 phased 阵系对于覆盖大空间范围至关重要[5]、[6]，这对于这些应用至关重要。因此，W波段 active phased 阵系因其紧凑的尺寸和高集成密度而在工业界和学术界引起了极大的兴趣[5]。

特别是，关于W波段 active phased 阵系已经进行了大量研究。与低频段相比，W波段 active phased 阵系的设计不仅在电路方面面临更大挑战，在天线集成方面也是如此，因为需要应对紧凑的尺寸和高密度的连接要求。通常希望选择简单的天线结构，以便于系统集成和符合处理规格。贴片天线是W波段 phased 阵系中最常见的元件结构[2]、[3]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]，因为它们结构简单且性能优异。在这些研究中还探讨了多尺度 phased 阵系[12]。此外，脊状波导（RWG）线性槽天线阵列[12]、串联馈电微带贴片阵列[13]、[14]、[15]、八木天线[16]和喇叭天线[5]、[17]也被作为高性能一维（1-D）波束扫描 phased 阵系的元件进行了研究。然而，根据当前的制造工艺，贴片天线和串联馈电微带贴片阵列的工作带宽通常有限，需要付出大量努力才能使实际工作带宽与设计带宽相匹配。线性槽阵列和八木天线与二维（2-D）平面 phased 阵系不兼容，这会限制波束扫描的自由度。尽管在贴片天线中提出了一些出色的设计以实现宽阻抗带宽（IMBW）[6]、[7]、[18]，但它们在宽频带范围内的波束扫描性能尚未进行分析。基于铜增材制造（CuAM）技术，在 phased 阵系中实现了一种低损耗和高效率的RWG线性槽天线[12]；而在基于机械加工技术的混合集成 phased 阵系中实现了一种高增益和高效率的喇叭天线[5]。这些系统的组装结构比基于多层电路封装的集成系统更为复杂，导致体积较大。基于多层电路封装的宽带、结构简单且尺寸紧凑的天线是W波段平面高度集成系统的有效解决方案。

引言

W波段在毫米波频谱中占据重要位置，频率范围为75至110 GHz，这对应于大气窗口[1]。由于其较大的可用带宽和较短的波长[2]、[3]、[4]，W波段在高速通信、雷达传感和成像系统中具有显著优势[2]、[3]、[4]。此外，具有宽波束扫描能力的 phased 阵系对于覆盖大空间范围至关重要[5]、[6]，这对于这些应用至关重要。因此，W波段 active phased 阵系由于其紧凑的尺寸和高集成密度，在工业界和学术界都引起了极大的兴趣[5]。

特别是，关于W波段 active phased 阵系已经进行了全面的研究。与低频段相比，W波段 active phased 阵系的设计不仅在电路方面面临更大挑战，在天线集成方面也是如此，因为需要应对紧凑的尺寸和高密度的连接要求。通常希望选择简单的天线结构，以使系统易于集成并符合处理规格。贴片天线是W波段 phased 阵系中最常见的元件结构[2]、[3]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]，因为它们结构简单且性能优异。在这些研究中还探讨了多尺度 phased 阵系[12]。此外，脊状波导（RWG）线性槽天线阵列[12]、串联馈电微带贴片阵列[13]、[14]、[15]、八木天线[16]和喇叭天线[5]、[17]也被研究作为高性能一维（1-D）波束扫描 phased 阵系的元件。然而，根据当前的制造工艺，贴片天线和串联馈电微带贴片阵列通常表现出有限的工作带宽，需要付出大量努力才能使实际工作带宽与设计带宽相匹配。线性槽阵列和八木天线与二维（2-D）平面 phased 阵系不兼容，这会限制波束扫描的自由度。尽管在贴片天线中提出了一些出色的设计以实现宽阻抗带宽（IMBW）[6]、[7]、[18]，但它们在宽频带范围内的波束扫描性能尚未进行分析。基于铜增材制造（CuAM）技术的 phased 阵系中实现了一种低损耗和高效率的RWG线性槽天线[12]，而基于机械加工技术的混合集成 phased 阵系中实现了一种高增益和高效率的喇叭天线[5]。这些系统的组装结构比基于多层电路封装的集成系统更为复杂，从而导致体积较大。基于多层电路封装的宽带、结构简单且尺寸紧凑的天线是W波段平面高度集成系统的有效解决方案。

基于多层印刷电路板（PCB）技术的磁电偶极子（ME-dipole）天线具有宽带和高增益的特点[19]，被广泛应用于毫米波平面阵列[20]、[21]、[22]、[23]，并集成到 active 系统[24]、[25]中，以及为可重构阵列[26]进行设计。由于其结构简单且易于实现紧凑尺寸，ME-dipole天线可以是W波段 phased 阵系的可靠选择。目前关于W波段和更高频率ME-dipole阵列的研究主要集中在减少损耗和提高元件容量以优化固定波束阵列性能上[27]、[28]、[29]。然而，多种制造工艺严重阻碍了天线与电路的集成。通过基于微金属增材制造（M-MAM）技术的矩形微同轴线（RMCL）馈电的高增益和宽带ME-dipole阵列[30]，以及使用多层电路板技术的衬底集成波导（SIW）馈电的低矮和宽带槽耦合ME-dipole阵列[31]、[32]也有报道。尽管这些天线和馈电结构采用了相同的工艺，但它们的RMCL或SIW馈电结构在集成到电路（特别是在球栅阵列（BGA）封装的单片微波集成电路（MMIC）中）时带来了更大的挑战，与平面馈电传输线相比。因此，ME-dipole天线在W波段中具有宽带、结构简单和易于MMIC集成的优点，但这仍然是一个复杂的问题。

在本文中，研究了一种基于衬底集成同轴线（SICL）馈电的ME-dipole天线，用于W波段 phased 阵系，采用了封装天线（AiP）概念。所提出的天线与图1(a)所示的系统架构兼容，使用多层封装可以在PCB主板上组装MMIC。基于图1(b)和(c)所示的多层封装，设计、制造并测量了1×8线性阵列和4×4平面阵列，以验证其宽带和稳定的远场辐射性能，并研究了其出色的波束扫描能力。主要特点如下：

• 1)
  提出了一种采用L型探针激发的ME-dipole天线，具有宽频带。引入了一个简单的匹配结构以实现馈电和辐射体之间的宽带阻抗匹配；
• 2)
  研究了在宽频带范围内的宽角度扫描。引入了半高电墙（E-wall）以抑制工作带内的共模共振并改善扫描过程中的阻抗匹配；
• 3)
  紧凑的阵列元件尺寸以及SICL与MMIC的易于连接性使其可以直接应用于W波段 phased 阵系。

（见表II。）

本文的组织结构如下：第2节提出了并分析了紧凑型宽带ME-dipole天线。第3节讨论了1×8线性阵列，第4节讨论了4×4平面阵列。第5节对所提出的阵列与典型的W波段及更高频率阵列进行了比较和讨论。第6节给出了结论。

节片段

ME-dipole天线配置

典型的PCB技术在满足W波段频率下集成立体阵列天线的需求方面存在困难。从MMIC到天线元件的垂直通孔过渡具有挑战性，且由于尺寸紧凑，信号迹线和电源线的布置空间不足。采用的AiP概念基于使用高密度互连（HDI）技术的多层电路板。

线性天线阵列的设计

为了进一步展示所提出天线的优点，基于紧凑型宽带ME-dipole天线设计并分析了一个1×8线性天线阵列。如图7所示，该阵列包含八个天线元件和一个1到8的功率分配网络。天线元件沿y轴排列，间距为1.6 mm。通过通孔和金属条实现的四个侧壁用于抑制表面波、提高铜含量并防止变形。

2-D平面阵列天线元件的设计

第3节介绍了1×8 ME-dipole阵列的设计和分析。结果验证了当扩展为线性阵列时，所提出天线元件的宽带和稳定远场性能。然而，为了满足更高的增益和辐射能力，进一步研究平面阵列配置是必要的。

之前设计的线性ME-dipole天线元件在x轴方向上具有不对称结构，这不利于沿x轴形成阵列

比较与讨论

本文提出的阵列天线与先前报道的W波段和更高频率阵列进行了比较，结果总结在表I中。通过利用所提出的紧凑型ME-dipole天线和宽带馈电网络，1×8线性阵列和4×4平面阵列实现了比先前报道的工作[11]、[12]、[14]、[18]、[28]、[29]、[31]、[32]、[37]更宽的IMBW。与[12]、[14]相比，所提出的天线能够在2-D平面上进行更广范围的扫描

结论

本文设计并分析了一种基于多层HDI技术的紧凑型宽带ME-dipole天线，用于W波段波束扫描应用。在SICL中的天线馈电端附近引入了一种简单的匹配结构，以实现良好的阻抗匹配而无需额外层，并且SICL馈电线的后向辐射和插入损耗较低。设计、制造并测量了具有宽频带和稳定实现增益的1×8线性阵列

作者贡献声明

刘晓毅：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念化。李友：验证、形式分析。向世杰：研究。孟宏福：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了毫米波国家重点实验室开放项目的支持，资助编号为K202119。