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

表4四周均匀分布过孔

过孔数量为两个时，在一些合适的位置，天线的带宽展宽了一倍多。这主要是由于天线地与系统地在两个合适的过孔连接下在原工作频率附近又出现了一个新的通带，两个通带组合在一起从而展宽了天线的带宽。这对于设计人员来说是非常有意义的，在使用常用介质和不增加制作成本的前提下，仅通过改变过孔数量与位置就达到增大带宽的效果是很实用的。