电子爱好者网报道(文/李宁远)无论是在消费电子、工业自动化还是自动驾驶领域，现在毫米波的应用越来越多，实现了更加智能的感知通信体验。通常毫米波模块安装在由收发机、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起着重要的作用。毫米波的波长比低频波短很多，天线的大小与电磁波波长成正比，所以毫米波天线比低频天线小很多，所以波束宽度小很多，能量也更集中。
虽然客观上毫米波雷达的天线尺寸更小，但是不同的天线技术会直接影响到板上天线的损耗和效率，尤其是损耗方面，毫米波本身的路径损耗会比低频波更大。可以说，毫米波天线集成技术是实现毫米波高分辨率数据流、移动分布式计算等应用场景的关键技术。
毫米波天线阵的实现方式
目前毫米波天线集成可分为——AoC和AiP两大类。AoC天线直接将辐射组件集成到RF芯片堆栈的后端。这种集成方式可以在只有几平方毫米的小尺寸的单个模块上实现无射频互连和射频与基带功能的相互集成。AiP基于封装材料和技术将天线和芯片集成在封装中，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技术来降低严重的介电损耗。在目前的技术条件下，这种集成方式的竞争力似乎并不在毫米波频段，这种天线集成技术的性价比更适合比毫米波宽带和载频更高的频段。
AiP技术可以说是5G毫米波频段最适合毫米波终端天线的方案。AiP技术可以兼顾天线性能、成本和体积。相比传统的天线和射频模块的分散式设计，更符合提高硅基半导体工艺集成度的趋势。AiP天线集成技术进一步将各类通信元器件，如发射机和接收机、电源管理芯片、射频前端等元器件与天线集成在一起，达到减小厚度和PCB面积的目的。目前，大多数60GHz无线通信和雷达芯片采用AiP技术。
毫米波雷达借助AiP技术对于垂直行业的价值已经被各行业广泛认可，而AiP天线技术无疑在其中扮演了重要角色。采用AiP天线技术，布局空间的节省大大减小了模块的整体尺寸，缩短了设备到天线的布线距离也有利于降低功耗。另一方面，我们知道PCB上的天线需要使用高频基板材料，而AiP天线技术可以降低天线对高频基板材料的需求。比如TI的AiP技术，利用倒装芯片封装技术，将天线直接集成在无塑封基板上，避免天线通过塑封材料时因损耗而降低效率，造成杂散辐射。
然而，AiP在雷达探测中的应用并非没有缺点。以TI的6843为例，其AiP方案的芯片性能与普通方案完全一致，差异仅由天线差异引入。可以清楚地看到，由于采用了小天线，雷达增益降低，导致探测功率下降，这也是AiP毫米波雷达一般只用于近场感应的原因。另一个缺点是空间角度分辨率减弱，对于复杂的静态场景不能很好的构建空间模型。
在各种需要传感器感知近场环境的场景中，毫米波雷达都可以得到广泛应用，AiP天线技术帮助毫米波雷达大大加强了近场感知能力。下图是加特兰德基于AiP毫米波雷达的人员探测演示截图。从3D跟踪效果来看，AiP技术大大提高了雷达的距离分辨率，视野足够宽广。在ADAS在汽车上的应用中，AiP高度集成的毫米波传感器也可以用于各种测试，点云效果也很出色。AiP毫米波雷达解决了普通毫米波雷达体积大、功耗高等一系列问题。
加特兰德毫米波雷达芯片Alps、Alps-Mini、Rhine、Rhine-Mini都采用了AiP技术，天线性能的设计冗余度非常高，包括高阻抗带宽冗余和增益冗余。以4发4接收机的加特兰德AiP毫米波雷达芯片为例，在超近程模式下，对10平米RCS的目标探测距离为45米，视场角为90，支持4D探测；近程模式下，对相同RCS的目标探测距离为80米，视场角为90，利用内部移相器支持俯仰方向的模拟发射机波束形成。
上海希杰威还推出了AIP全集成毫米波雷达芯片SRK1103M，这是一款面向汽车和物联网应用的24GHz毫米波雷达产品。SRK1103M完全集成在10mm*12mm*1.34mm的小尺寸中，无需板上毫米波布线，增强了雷达与其他系统模块的匹配性。
英飞凌最近推出了基于AiP技术的60GHz多普勒雷达运动传感器BGT 60LTR11 AiP，用于物联网的短距离定位应用。它以3.3 mm*6.7mm*0.56mm的小尺寸完全集成，半功率波束宽度(HPBW)为80，最远可探测7米的距离。通过可调占空比，该器件的功耗小于2mW。
AiP技术辅助的毫米波通信在通信中也有同样明显的效果。目前，AiP技术的发展主要集中在高通、海思等芯片设计公司，TSMC、三星等半导体集成电路制造公司，太阳月亮、硅品等封装测试厂商。
5G毫米波的特性导致了天线尺寸的减小，但不同组件集成到单个封装中仍存在散热等诸多问题。高通的QTM毫米波模块方案使用AiP天线技术来解决这些问题，支持多达64个双极化天线单元，以实现更大范围的最佳毫米波覆盖。这种完全集成的系统级解决方案集成了最新的毫米波技术，如用于双向通信的波束形成、波束控制和波束跟踪技术，在5G毫米波通信的集成天线封装模块中处于领先地位。
Skyworks、Qorvo等射频元器件厂商，以及Sunmoon、Amko等封装测试代工厂也选择AiP技术作为研发方向，切入5G通信市场。Qorvo升级了基于OTM设计的AiP模块。整个AiP设计更小，成本更低。同时，整个AIP的发射功率保持不变，但DC功耗更小，天线设计更简单。5G毫米波模块的升级也推动了天线封装AiP技术的不断发展。
总结天线集成的根本是将一个相控阵所需的所有部件集成到一个芯片上，这是硅基毫米波天线系统的优势。今天，毫米波应用大放异彩。AiP技术优化了毫米波性能，赋予毫米波充分的设计灵活性，将毫米波推向更多的应用领域。
审计彭静
