毫米波天线集成技术为你解密AiP加持下的雷达与通讯

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2022-10-12 14:44:00 0

电子发烧友网报道（文/李宁远）不管是在消费电子领域，工业自动化领域，还是在汽车自动驾驶领域，毫米波的应用现在越来越多，实现了更智能化的感知通信体验。通常，毫米波模块安装在由收发器、天线、电源管理电路、存储器和接口外设组成的印刷电路板上。

其中毫米波天线在毫米波组件中的地位举足轻重。毫米波波长要比低频率波波长短很多，而天线尺寸与电磁波波长成正比，因此毫米波天线的尺寸要比低频率天线小很多，也因此波束宽度要小很多，能量更加集中。

虽然客观上毫米波雷达天线尺寸小一些，但是不同的天线技术会直接影响到天线在板上损耗和效率，尤其是损耗这一方面，毫米波的路径损耗本身就会比低频率波大。可以说毫米波天线集成技术是实现毫米波高分辨数据流、移动分布式计算等应用场景的关键技术。

毫米波天线阵列实现方式

目前毫米波天线集成的实现方式可分为两大类——AoC和AiP。AoC天线将辐射原件直接集成到射频芯片栈的后端，这种集成方式可以在一个仅几平方毫米小尺寸单一模块上做到没有任何射频互连和射频与基带功能的相互集成。AiP则基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内，实现系统级无线功能。

AoC技术需要先进的后处理步骤或封装工艺，以减少严重的介电损耗。在当前的技术条件下，这种集成方式目前看来竞争力并不在毫米波频段，该天线集成技术在成本和性能上的性价比更适合较毫米波有更高宽带和更高载波频率的频段。

AiP技术可以说是5G毫米波频段毫米波终端天线最适合的方案。AiP技术能兼顾天线性能、成本及体积，相比传统天线与射频模块的分散式设计更顺应硅基半导体工艺集成度提高的潮流。AiP天线集成技术进一步将各类通信元件，如传送收发器、电源管理芯片、射频前端等元件与天线整并在一起，达到缩小厚度与减少PCB面积的目的。目前大多数60GHz无线通信和雷达芯片都采用了AiP技术。

AiP示意，LPKF

AiP技术助力下的毫米波雷达

毫米波对于垂直行业的价值已经得到各产业界广泛的认同，AiP天线技术无疑在其中发挥了重要作用。利用AiP天线技术，布板空间的节省大大降低了模块的外形尺寸，器件到天线的布线距离缩短也有利于降低功率损耗。另一方面，我们知道PCB 上的天线是需要使用高频基板材料的，AiP天线技术可以降低天线对高频基板材料的需求。如TI的AiP技术利用倒装芯片封装技术直接将天线集成到无塑封装基板上，防止因天线穿过塑封材料时产生损耗而降低效率并导致杂散辐射。

AiP加持的毫米波雷达，TI

但雷达传感方面AiP的应用也不是没有劣势，以TI的6843为例，其AiP方案和普通方案芯片性能完全一致，区别仅由天线差异引入。可以很明显地看到由于采用了小型天线，雷达增益降低，导致探测威力下降，这也是为什么AiP毫米波雷达一般只用于近场感应。另一个劣势在于空间角分辨能力减弱，对于复杂的静态场景反而不能很好地构建出空间模型。

在各种需要传感器近场感知环境的场景里，可以说有着毫米波雷达广阔的用武之地，AiP天线技术则帮助毫米波雷达大大强化了近场感知能力。下图是加特兰基于AiP毫米波雷达的人员检测演示截图，从3D追踪效果来看AiP技术大大增加了雷达的距离分辨率，而且视野足够宽阔。在汽车ADAS应用里，利用AiP高度集成的毫米波传感器也能应用在各种检测中，点云效果也很优秀。AiP毫米波雷达解决了普通毫米波雷达尺寸大、功耗高等一系列问题。

基于AiP毫米波雷达的人员检测，加特兰微电子

加特兰毫米波雷达芯片Alps、Alps-Mini、Rhine、Rhine-Mini均采用AiP技术，在天线性能方面设计冗余度很高，包括高阻抗带宽冗余及增益冗余。以加特兰4发4收的AiP毫米波雷达芯片为例，在超短距模式下，对于10 平方米 RCS的目标，其检测距离达45米，视场角为90°，支持4D检测；在短距模式下，对于相同RCS的目标，其检测距离达80米，视场角为90°，支持通过使用内部的移相器实现俯仰方向的模拟发射器波束成形。

Alps，加特兰微电子

上海矽杰微也推出了AIP全集成毫米波雷达芯片SRK1103M，面向汽车和物联网应用领域的24GHz的毫米波雷达产品。SRK1103M在10mm*12mm*1.34mm的小尺寸下1T1R全集成，无需板上毫米波走线，增强了雷达与其他系统模块的匹配性。

SRK1103M，矽杰微

英飞凌近期则针对物联网短距离定位应用推出了基于AiP技术的60GHz多普勒雷达运动传感器BGT60LTR11AIP，3.3 mm*6.7mm*0.56mm的小尺寸下1T1R全集成，具有80°半功率波束宽度（HPBW），最远可检测7米距离。器件通过可调的占空比，实现不到2mW的功耗。

AiP技术助力下的毫米波通信

在通信方面AiP技术同样效果明显，目前AiP技术的开发主要集中在诸如高通及海思等芯片设计公司、台积电及三星等半导体集成电路制造公司、日月光及矽品等封装测试厂家。

5G毫米波特性带动了天线尺寸缩小，但将不同元件整合在单一封装中，仍然会存在散热等诸多问题。高通的QTM毫米波模块方案利用AiP天线技术解决这些问题，支持多达64个双极化天线单元以实现范围更广的最优毫米波覆盖。该全集成系统级解决方案整合了最新的毫米波技术，如面向双向通信的波束成形、波束导向和波束追踪技术，在5G毫米波通信集成天线封装模块上处于领先地位。

射频元件商如Skyworks、Qorvo，封测代工厂如日月光、Amko等，也都选择以AiP技术为研发方向切入5G通讯市场。Qorvo就基于OTM设计对AiP模组进行了研发设计升级，整个 AiP 设计更小，成本更低，与此同时整个AIP的发射功率不变化，但直流功耗变小，天线设计更简单。5G毫米波模块的升级也带动了天线封装AiP技术的持续发展。

小结

天线集成的根本是将一个相控阵所需的所有组件集成到一个芯片上，这是硅基毫米波天线系统的优势所在。在毫米波应用大放异彩的今天，AiP技术优化了毫米波性能，给予了毫米波充裕的设计灵活性，也将毫米波推向更多的应用领域。

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