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。

毫米波是指波长为毫米级的电磁波，通常所处频段为30 - 300 GHz，往往也包含24 GHz 以上频段。5G网络需要毫米波来支持更高的速率和更低的时延，为各种新型应用提供通信基础设施。相比于4G ，5G一个关键的提升就是能够利用更多的频谱资源来满足不同种类的业务需求，其中就包括使用毫米波的频段资源来实现极高带宽和极低时延。

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

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。

在各种需要传感器感知环境的场景里，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

在通信方面AiP技术同样效果明显，虽说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毫米波模块方案也是利用AiP天线技术解决这些问题，在5G毫米波通信集成天线封装模块上处于领先地位。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。

我国曾取得突破性进展

2021年 2 月 17 日，中国电科 38 所在第 68 届国际固态电路会议（ISSCC）上发布了一款具有高性能的 77GHz 毫米波芯片和模组。该芯片能够实现长达 38.5 米的探测距离，这刷新了毫米波封装天线最长探测距离的纪录。

 具有高性能的 77GHz 毫米波芯片和模组（来源：中国电科 38 所）

毫米波，即波长处于 1 至 10 毫米的电磁波。因其位于微波与远红外波相互交叠的波长范围内，所以有同时具有两种波谱的特点。随着 5G 技术的逐渐普及，毫米波这项技术也开始更多地被人们关注。毫米波的波段在 24GHz 至 100GHz 之间，因此在 5G 上的速度会远远高于 Sub-6G 频段。毫米波本身具有的优势，使它在通信和自动驾驶等领域能够发挥非常重要的作用。但毫米波的探测距离，也是一个需要解决的技术难题。

这次发布的封装天线模组包含两颗 38 所自研的 77GHz 毫米波雷达芯片。这种芯片采用低成本的 CMOS 工艺，单片集成 3 个发射通道、4 个接收通道及雷达波形产生等，充分适配智能驾驶领域对核心毫米波传感器的需求，在快速宽带雷达信号的生成方面具备独特的优势。77GHz 毫米波芯片同时支持多片级联并构建更大规模的雷达阵列，其主要性能指标达到了国际先进水平。

这款 77GHz 的毫米波芯片，能够在 24mm×24mm 的空间内实现多路毫米波雷达收发前端的功能。研究人员提出一种动态可调快速宽带 chirp 信号的产生方法，还在封装内采用多馈入天线技术。这不仅能够大幅地提升封装天线的有效辐射距离，也为近距离智能感知提供了一种小体积且低成本的解决方案。

我们都知道，天线作为无线系统中的重要部件，有集成和分离两种形式。分离天线早已经被我们熟知，集成天线主要包括片上天线（AoC）和封装天线（AiP）两种类型。片上天线技术主要是利用半导体材料与工艺，将天线与其他的电路在同一个芯片上集成。因为有对性能和成本方面的考虑，片上天线技术在太赫兹频段上更为适用。封装天线技术主要是利用封装材料与工艺，将天线在携带芯片的封装内集成。

由于封装天线（AiP）技术在兼顾天线性能、成本及体积方面有着很好的表现，所以近些年来它不仅代表着毫米波天线技术领域的重大成就，还深受广大芯片和封装制造商的青睐。在今天，诸如 60GHz 无线通信，122GHz、145GHz 和 160GHz 传感器，94GHz 相控阵天线和手势雷达芯片等都利用了封装天线（AiP）技术。可以想见，在 5G 毫米波移动通信系统的天线解决方面，封装天线技术也将会发挥很好的作用。作为封装天线技术下的一种主流实现方式的封装是基于扇出型晶圆级的封装。目前，国际上的那些大公司都是在该技术的指导下，开发并集成封装天线的芯片产品。中国电科 38 所利用扇出型晶圆级封装技术，还同时采用多馈入天线技术，这能够进一步改善封装天线效率低的问题。

集聚在这款毫米波雷达芯片上的成果，有望推动智能感知技术领域的又一次突破。中国电科 38 所表示：“下一步，研究人员将对毫米波雷达芯片进一步优化，并根据应用需求的扩展和技术的进步进行改变，还会根据具体的应用场景提供一站式的解决方案。”

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。

文章来源： 核芯产业观察，DeepTech深科技，电子工程专辑