张跃平教授:5G带起封装天线 (AiP) 技术风潮

2020-07-03 来源:微波射频网作者:张跃平 我要评论(0) 字号:

在5G与后5G的移动世界里,封装天线(AiP)将会随处可见。它会如图1所示镶嵌在你的手机内,为你提供全新的、非一般的高品质用户体验;也会如图2所示安装在你驾驶的汽车上,为你的安全、平稳与顺畅保驾护航;更会如图3所示用来构造你的手势雷达及VR/AR/MR等装置,让你可以摆脱线的束缚,实现身临其境、场景融合、超越现实的人生感受。

三星5G手机中的AiP

图1、三星5G手机中的AiP

英特尔5G车联网中的AiP

图2、英特尔5G车联网中的AiP

谷歌手势雷达中的AiP

图3、谷歌手势雷达中的AiP

AiP在手机中的应用将是划时代的。这一观点我们可以从手机天线演变与进化中得以佐证。众所周知,手机天线始于模拟时代的外置式(External),兴于数字时代的内置式(Internal),进阶于智能时代的内外兼置式(Integral)。内外兼置式或增加了天线的辅助功能或从结构上成为了手机不可分割的一部分。内外兼置式天线当以苹果手机的金属边框(Metal-frame)天线最为有名。它最初因设计不当,导致了轰动一时的苹果手机天线门(Antenna gate)事件。该事件迫使智能手机的缔造者伟大的史蒂夫·乔布斯先生(Steve Jobs)出面解释,苹果公司做出赔偿而告一段落。目前,因5G毫米波的出现,手机天线的设置已进入颠覆式变革的前夜,正朝着集成式(Integrated)AiP方向发展。图4是我总结的手机天线演进过程及可能的发展趋势。关于此图我必须强调的一点是,现在与未来集成式与内外兼置式天线将会长期共存于手机。

天线的性能因手机的外观设计、手机内部空间限制及天线旁边的结构或基板材质不同,会有很大的差异。标准化的AiP 天线模块可能很难满足不同手机厂商的不同需求。苹果等厂商有望根据自己手机的设计开发自有的订制化 AiP 天线模块。经测算,苹果的AiP 需求有望在 2 年半后达到数十亿美元。如果再加上华为、三星、小米、vivo与OPPO,AiP 的需求将非常可观,有望造就一个新的产业!手机天线因AiP技术得以变革,AiP技术因用于手机而声名鹊起,相得益彰。

手机天线演进路线图

图4、手机天线演进路线图

 图5是本世纪初设想的单芯片射频SoC构造示意图。芯片封装的顶部集成有天线辐射体,该天线辐射体的设计巧妙之处在于它支持差分或单端口工作在同一射频频段的SoC。封装内部阶梯式腔体可以容纳较大的SoC及键合线互连。封装与天线共享一个特殊设计的地来同时满足电隔离与机械可靠性要求。此外,封装通过焊球还支持射频芯片使用外接天线,实现分集接收来保证系统性能。图6是利用LTCC工艺实现的真正工业意义上的AiP。图7是当时推广AiP技术所拍的宣传照片。

单芯片射频SoC构造示意图 (黑色体代表CMOS芯片)

单芯片射频SoC构造示意图 (黑色体代表CMOS芯片)

单芯片射频SoC构造示意图 (黑色体代表CMOS芯片)

图5、单芯片射频SoC构造示意图 (黑色体代表CMOS芯片)

用LTCC工艺实现的真正工业意义上的AiP

图6、用LTCC工艺实现的真正工业意义上的AiP

早期推广AiP技术的宣传照片

图7、早期推广AiP技术的宣传照片

作者简介

张跃平教授是IEEE Fellow,IEEE天线与传播学会杰出讲师、谢昆诺夫论文奖与克劳斯天线奖双料得主。

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