一种用于集成天线封装（AiP）的低剖面、低成本的毫米波微带天线设计
汪鑫+王启东++曹立强
摘 要： 讨论了毫米波微带天线的工作原理、结构及其与射频前端的集成。介绍了基于CST STUDIO SUITE 2014软件设计中心频率为27 GHz微带天线的整个设计流程。设计了以Rogers 5880有机基板为介质材料的27 GHz毫米波微带天线，相对于以LTCC为介质的天线拥有低成本、低剖面的优点。提出一种毫米波微带天线与射频前端的集成方案，建立了天线与帯通滤波器仿真模型并提取[S]参数。论证毫米波微带天线与射频前端集成的可行性。所设计的微带天线尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，天线的增益达到了7.62 dBi，辐射效率高达93%，相对带宽为2.3%，且实测值与仿真值吻合得很好，验证了设计的正确性。
关键词： 毫米波； 微带天线； 系统集成； 辐射效率
中圖分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 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
为了实现海量的数据传输和弥补匮乏的可用频谱，提高载波频率是必然的解决方案。因此，毫米波技术（3～300 GHz）有可观的商业前景[1]，作为无线通信系统的一个重要环节，毫米波天线也成为国内外一个研究热点。微带贴片天线具有低剖面的平面结构，便于共形，制造简单，成本低，有相对较高的增益且易于安装到主机和集成到微波电路[2]。通过选择特定的贴片形状和馈电方式可以获得所需的谐振频率、极化、模式、阻抗[3?4]。在通信、雷达、医疗器械等领域有广阔的应用前景。微带天线已经大量应用在100 MHz～300 GHz频段上。在无线系统小型化中，天线封装（AiP）已经占据很重要的位置且是重要的发展方向，AiP被认为是在毫米波高速短距离无线系统中最有前景的天线解决方案。AiP结合天线和高度集成的无线电模块，具有标准的表面安装的芯片级封装。
微带贴片天线已经大量地应用在毫米波频段，因为微带天线本身的原因，衬底的介电常数[5]一般为2～10。因此，大部分设计采用低温共烧陶瓷技术（LTCC）来满足衬底的要求，但是相对于传统的印刷电路板技术，这大大的增加了生产成本[6?7]。另外，还有一些其他类型的天线也被应用在毫米波频段，例如端射天线[8]、环形天线[9]、偶极子天线[10]、螺旋天线[4]等。但因为其天线本身不利于共行，后瓣大、非平面结构，加之结构相对复杂，不易于大规模生产。
本文基于微带贴片天线自身的优点，设计的中心频率为27 GHz，选用有机介质Rogers 5880作为衬底，采用工艺成熟的印刷电路板技术，相对于LTCC工艺，生产成本相对较低。天线的尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，实现了小型化、低剖面特点，可与射频系统等集成，实现天线封装。
1 微带天线分析
1.1 传输线模型分析法
微带天线的分析有很多方法，主要有传输线模型法、谐振腔模型法、全波模型法。传输线模型法是所有方法中最简单的，而且物理意义清晰明了。本文主要介绍传输线模型分析方法。对于图1（a）所示的矩形贴片微带天线，采用传输线模型来分析其性能。假设辐射贴片的长度[L]近似为半波长，宽度为[W，]介质基片的厚度为[h，]工作波长为[λ。]可以将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长为[λ2]的低阻抗微带传输线，且传输线的两端断开形成开路。由于介质基片的厚度[h?λ，]故电场沿着厚度[h]方向基本上没有变化。在最简单的情况下，可以假设电场沿着宽度[W]方向也没有变化。那么，在只考虑主模激励（TM10模）的情况下，传输线的场结构如图1（b）所示，辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于贴片的长度约为半个波长，因此两开路端电场的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上的同相激励的两个缝隙，缝隙的宽度为[ΔL]（近似于基片的厚度h），长度为[W，]两缝相距为半个波长，缝隙的电场沿着[W]方向均匀分布，电场垂直于[W]的方向，如图1（c）所示。
1.2 微带贴片天线的理论模型及有效宽度、有效长度、谐振频率理论公式
在传输线模型中，两端的辐射缝隙被看成是传输线两端的等效电纳[Y]（电导[G]和电纳[B]），它的传输线等效电路如图2所示[11]。
其中：
总的谐振输入阻抗为：
[Zin=1Yin=12G1]
（1） 为了产生高辐射效率，贴片天线的宽度设计公式如下[3]：
[Wpatch=c2fεr] （1）
式中：c为光速；[εr]为介质的介电常数。
（2） 辐射贴片的长度一般取[λ2，]但由于边缘效应，微带天线的电尺寸要比实际尺寸大。如图1（c）所示，实际的辐射贴片天线的长度应为[3?4]：
[Lpatch=c2fεreff-2ΔL] （2）
[λ=λ0εreff] （3）
式中：[λ]是介质内的导波波长；[λ0]为自由空间波长；[εreff]为有效介电常数；[ΔL]为等效缝隙长度。等效介电常数及等效缝隙长度公式如下[3]：
[εreff=εr+12+εr-121+12hWpatch-12] （4）
[ΔL=0.412εreff+0.3Wpatchh+0.264εreff-0.258hWpatch+0.8h] （5）
（3） 微带传输线天线的谐振频率是和长度有关的函数，公式[3]如下：
[f=12L+2ΔLμ0ε0εreff] （6）
（4） 因为天线最终是需要和发射机或者接收机连在一起的，然而连接天线与外部器件一般都是用50 Ω的馈线，所以为了达到阻抗匹配，需要知道天线的辐射阻抗，利用[14]波长转接线进行天线与馈线的匹配，于是得到天线和转接线的阻抗公式[3?4]：
[Zpatch=90×ε2rεr-1LpatchWpatch2] （7）
[Zstub=Zpatch×50] （8）
2 微带贴片天线的仿真及优化
2.1 27 GHz微带贴片天线参数确定
本文选用的介质材料为Rogers 5880，相对介电常数[εr=2.2，]介质损耗角[tanδ=0.000 9，]介质厚度[H=]0.254 mm，中心频率[f=27]GHz。未知参数由式（1）～式（8）可得：辐射贴片宽度[Wpatch=3.88]mm，辐射贴片长度[Lpatch=3.62]mm，有效介电常数[εreff=2.05，][14]转接线阻抗[Zstub=130 ]Ω。利用Agilent 公司的Advanced Design System（ADS） 软件里面的微带线计算工具LineCalc计算微带线宽度，50 Ω微带馈线宽度为[Wfeed=0.77] mm。
2.2 微带贴片天线理论尺寸与优化值差异分析
表1為27 GHz理论设计值与优化后的值，表2为理论设计值与优化后的天线性能比较。
之所以会出现这样的偏差是因为设计得到的天线参数都是经验公式，经验公式省略了一些参数，本文用的等效模型就是传输线模型，里面简化了一些小的电感、电容，而仿真是基于实际情况。这种偏差可以通过优化天线的主要参数使天线的电性能达到最佳。最终得到的天线参数如下：天线的辐射贴片长[Lpatch=3.5 ]mm，辐射贴片宽度[Wpatch=3.8 mm，]50 Ω微带馈线线宽[Wfeed=0.8 mm，][14]转接线线宽[Wstub=0.15 mm，]天线的整体尺寸为20 mm×20 mm。在2014 CST软件中建立的模型如图3所示。
2.3 50 Ω微带馈入端与天线的匹配方式
由式（7）可得出，贴片天线的阻抗为339 Ω。微带贴片最终与射频前端互连的是一条50 Ω的微带馈线。为了使贴片天线与50 Ω微带馈线更好地实现电磁能量的有效传递，它们必须阻抗匹配。目前阻抗匹配的方法有：
（1） 单短截线调谐，该技术使用单个开路或者短路的传输线段（短截线）在距离负载某一确定的位置与传输馈线并联或者串联。这种调谐电路很方便，但负载到短截线所在的位置却不是很好计算，加之贴片天线的大小是确定的，所以本文不用这个方法。
摘 要： 讨论了毫米波微带天线的工作原理、结构及其与射频前端的集成。介绍了基于CST STUDIO SUITE 2014软件设计中心频率为27 GHz微带天线的整个设计流程。设计了以Rogers 5880有机基板为介质材料的27 GHz毫米波微带天线，相对于以LTCC为介质的天线拥有低成本、低剖面的优点。提出一种毫米波微带天线与射频前端的集成方案，建立了天线与帯通滤波器仿真模型并提取[S]参数。论证毫米波微带天线与射频前端集成的可行性。所设计的微带天线尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，天线的增益达到了7.62 dBi，辐射效率高达93%，相对带宽为2.3%，且实测值与仿真值吻合得很好，验证了设计的正确性。
关键词： 毫米波； 微带天线； 系统集成； 辐射效率
中圖分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 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
为了实现海量的数据传输和弥补匮乏的可用频谱，提高载波频率是必然的解决方案。因此，毫米波技术（3～300 GHz）有可观的商业前景[1]，作为无线通信系统的一个重要环节，毫米波天线也成为国内外一个研究热点。微带贴片天线具有低剖面的平面结构，便于共形，制造简单，成本低，有相对较高的增益且易于安装到主机和集成到微波电路[2]。通过选择特定的贴片形状和馈电方式可以获得所需的谐振频率、极化、模式、阻抗[3?4]。在通信、雷达、医疗器械等领域有广阔的应用前景。微带天线已经大量应用在100 MHz～300 GHz频段上。在无线系统小型化中，天线封装（AiP）已经占据很重要的位置且是重要的发展方向，AiP被认为是在毫米波高速短距离无线系统中最有前景的天线解决方案。AiP结合天线和高度集成的无线电模块，具有标准的表面安装的芯片级封装。
微带贴片天线已经大量地应用在毫米波频段，因为微带天线本身的原因，衬底的介电常数[5]一般为2～10。因此，大部分设计采用低温共烧陶瓷技术（LTCC）来满足衬底的要求，但是相对于传统的印刷电路板技术，这大大的增加了生产成本[6?7]。另外，还有一些其他类型的天线也被应用在毫米波频段，例如端射天线[8]、环形天线[9]、偶极子天线[10]、螺旋天线[4]等。但因为其天线本身不利于共行，后瓣大、非平面结构，加之结构相对复杂，不易于大规模生产。
本文基于微带贴片天线自身的优点，设计的中心频率为27 GHz，选用有机介质Rogers 5880作为衬底，采用工艺成熟的印刷电路板技术，相对于LTCC工艺，生产成本相对较低。天线的尺寸只有3.8 mm×3.5 mm，实现了小型化、低剖面特点，可与射频系统等集成，实现天线封装。
1 微带天线分析
1.1 传输线模型分析法
微带天线的分析有很多方法，主要有传输线模型法、谐振腔模型法、全波模型法。传输线模型法是所有方法中最简单的，而且物理意义清晰明了。本文主要介绍传输线模型分析方法。对于图1（a）所示的矩形贴片微带天线，采用传输线模型来分析其性能。假设辐射贴片的长度[L]近似为半波长，宽度为[W，]介质基片的厚度为[h，]工作波长为[λ。]可以将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长为[λ2]的低阻抗微带传输线，且传输线的两端断开形成开路。由于介质基片的厚度[h?λ，]故电场沿着厚度[h]方向基本上没有变化。在最简单的情况下，可以假设电场沿着宽度[W]方向也没有变化。那么，在只考虑主模激励（TM10模）的情况下，传输线的场结构如图1（b）所示，辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于贴片的长度约为半个波长，因此两开路端电场的垂直分量方向相反，水平分量方向相同。所以，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上的同相激励的两个缝隙，缝隙的宽度为[ΔL]（近似于基片的厚度h），长度为[W，]两缝相距为半个波长，缝隙的电场沿着[W]方向均匀分布，电场垂直于[W]的方向，如图1（c）所示。
1.2 微带贴片天线的理论模型及有效宽度、有效长度、谐振频率理论公式
在传输线模型中，两端的辐射缝隙被看成是传输线两端的等效电纳[Y]（电导[G]和电纳[B]），它的传输线等效电路如图2所示[11]。
其中：
总的谐振输入阻抗为：
[Zin=1Yin=12G1]
（1） 为了产生高辐射效率，贴片天线的宽度设计公式如下[3]：
[Wpatch=c2fεr] （1）
式中：c为光速；[εr]为介质的介电常数。
（2） 辐射贴片的长度一般取[λ2，]但由于边缘效应，微带天线的电尺寸要比实际尺寸大。如图1（c）所示，实际的辐射贴片天线的长度应为[3?4]：
[Lpatch=c2fεreff-2ΔL] （2）
[λ=λ0εreff] （3）
式中：[λ]是介质内的导波波长；[λ0]为自由空间波长；[εreff]为有效介电常数；[ΔL]为等效缝隙长度。等效介电常数及等效缝隙长度公式如下[3]：
[εreff=εr+12+εr-121+12hWpatch-12] （4）
[ΔL=0.412εreff+0.3Wpatchh+0.264εreff-0.258hWpatch+0.8h] （5）
（3） 微带传输线天线的谐振频率是和长度有关的函数，公式[3]如下：
[f=12L+2ΔLμ0ε0εreff] （6）
（4） 因为天线最终是需要和发射机或者接收机连在一起的，然而连接天线与外部器件一般都是用50 Ω的馈线，所以为了达到阻抗匹配，需要知道天线的辐射阻抗，利用[14]波长转接线进行天线与馈线的匹配，于是得到天线和转接线的阻抗公式[3?4]：
[Zpatch=90×ε2rεr-1LpatchWpatch2] （7）
[Zstub=Zpatch×50] （8）
2 微带贴片天线的仿真及优化
2.1 27 GHz微带贴片天线参数确定
本文选用的介质材料为Rogers 5880，相对介电常数[εr=2.2，]介质损耗角[tanδ=0.000 9，]介质厚度[H=]0.254 mm，中心频率[f=27]GHz。未知参数由式（1）～式（8）可得：辐射贴片宽度[Wpatch=3.88]mm，辐射贴片长度[Lpatch=3.62]mm，有效介电常数[εreff=2.05，][14]转接线阻抗[Zstub=130 ]Ω。利用Agilent 公司的Advanced Design System（ADS） 软件里面的微带线计算工具LineCalc计算微带线宽度，50 Ω微带馈线宽度为[Wfeed=0.77] mm。
2.2 微带贴片天线理论尺寸与优化值差异分析
表1為27 GHz理论设计值与优化后的值，表2为理论设计值与优化后的天线性能比较。
之所以会出现这样的偏差是因为设计得到的天线参数都是经验公式，经验公式省略了一些参数，本文用的等效模型就是传输线模型，里面简化了一些小的电感、电容，而仿真是基于实际情况。这种偏差可以通过优化天线的主要参数使天线的电性能达到最佳。最终得到的天线参数如下：天线的辐射贴片长[Lpatch=3.5 ]mm，辐射贴片宽度[Wpatch=3.8 mm，]50 Ω微带馈线线宽[Wfeed=0.8 mm，][14]转接线线宽[Wstub=0.15 mm，]天线的整体尺寸为20 mm×20 mm。在2014 CST软件中建立的模型如图3所示。
2.3 50 Ω微带馈入端与天线的匹配方式
由式（7）可得出，贴片天线的阻抗为339 Ω。微带贴片最终与射频前端互连的是一条50 Ω的微带馈线。为了使贴片天线与50 Ω微带馈线更好地实现电磁能量的有效传递，它们必须阻抗匹配。目前阻抗匹配的方法有：
（1） 单短截线调谐，该技术使用单个开路或者短路的传输线段（短截线）在距离负载某一确定的位置与传输馈线并联或者串联。这种调谐电路很方便，但负载到短截线所在的位置却不是很好计算，加之贴片天线的大小是确定的，所以本文不用这个方法。
