專欄文章

天線封裝(Antenna-in-Package, AiP)為因應第五代行動通訊系統在毫米波(mmWave)頻段(如28GHz /39GHz頻帶)，所提出之一種微小尺寸整合技術。為符合行動網路中之應用情境，將AiP與微波主動電路元件整合，以形成陣列天線模組(Antenna in Module, AiM)。

行動網路中的終端設備(UE)和客戶駐地設備(CPE)兩種前端網路之情境中，皆需要使用陣列天線。天線封裝(Antenna-in-Package, AiP)為了減少傳輸線損耗與製程穩定度來提高良率，通過系統封裝(SiP, System-in-Package)與多層介電基板疊層架構技術將微波主動電路元件和陣列天線整合在一起，以形成微小尺寸且具穩定輻射特性之陣列天線模組(Antenna in Module, AiM)將是符合系統面以及實務上的需求。

u  RF主動電路模組

前面所提及之天線封裝之天線陣列皆置於封裝體之頂層，量測其特性時會使用功率分配器(Power divider)以及搭載高性能終端(末端)組裝/側面組裝印刷電路板之微波射頻同軸連接器(End_launch)。其天線的饋入相位都是固定無法做改變的，這並不符合實際應用層面。若能藉由跟RFIC晶片整合^[1]-[4]，透過晶片內部的相移器去改變天線單元的饋入相位，就能夠實現波束掃描(Beam steering)之應用。

為整合微波主動電路元件，將IC將置於天線封裝體之底層，與微控制器(MCU, Microcontroller Unit)以排線連接整合成RF主動電路模組。圖一所示為微控制器與另一個多層板8x8天線陣列整合之RF主動電路模組。左右兩側為電源輸入端，上側連接微控制器，下方連接訊號源，此模組操作頻率在26GHz~30GHz。本文將以此架構與天線陣列整合成天線封裝模組介紹，透過使用系統級封裝展示天線封裝設計，達到陣列天線模組(Antenna in Module, AiM)在5G應用中的優勢。

圖一、RF主動電路模組

u  陣列天線模組(Antenna in Module, AiM)主動電路模組

圖二所示為台大團隊目前開發中的陣列天線模組，以28GHz為例。沿用前篇所提之封裝體置入6 x 6個天線單元，並搭載了5顆IC晶片。這5顆RFIC晶片鑲嵌在多層板的最底部，透過錫球(Solder Ball)連接設計在Layer8的電路。此天線陣列設計為2個微帶天線形成一組子天線單，中間採取180度的相位差饋入設計，6x6天線陣列總共由18組1 x 2單元，因此需要18個輸入埠(Port)來控制，天線單元彼此間的週期間距為半波長，以避免光柵波辦(grating lobe)的出現。

圖二、28GHz 6x6 AiM天線陣列俯視圖

將18個輸入埠(Port)的相位做一個校正，使其在同極化方向(co-polarization) 0度時有最大的輻射能量。模擬上我們藉由個別激發的方式設定，將每個輸入埠以相同能量大小等比例改變相位的方式，以形成波束掃描(Beam steering)。實際量測中，藉由控制MCU以控制IC內部的相移器，分別在18個輸入埠(Port)提供不同的相位差，讓輻射主波瓣改變輻射的角度，與模擬的情境相同。圖三為經由模擬結果得到，同極化方向(co-polarization) 0度時有最大的增益18dBi，在波束掃描正負60度的範圍內，其波束掃描的增益都可以維持在15dBi以上。

圖三、28GHz 6x6天線陣列波束掃描

參考文獻

[1]  Z. Chen and X. Zhu, "Integration of mm-wave Antennas on Fan-Out Wafer Level Packaging (FOWLP) for Automotive Radar Applications," 2019 IEEE International Conference on Integrated Circuits, Technologies and Applications (ICTA), Chengdu, China, 2019, pp. 168-169, doi: 10.1109/ICTA48799.2019.9012825.

[2]  W. Hong, K. Baek and A. Goudelev, "Multilayer Antenna Package for IEEE 802.11ad Employing Ultralow-Cost FR4," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 12, pp. 5932-5938, Dec. 2012, doi: 10.1109/TAP.2012.2214196.

[3]  X. Gu et al., "A multilayer organic package with 64 dual-polarized antennas for 28GHz 5G communication," 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Honololu, HI, 2017, pp. 1899-1901, doi: 10.1109/MWSYM.2017.8059029.

[4]  D. Dogan and G. Gultepe, "A beamforming method enabling easy packaging of scalable architecture phased arrays," 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology (PAST), Waltham, MA, 2016, pp. 1-4, doi: 10.1109/ARRAY.2016.7832562.