浅析微凸天线的结构、原理及潜在的应用

引言

微凸天线 （Microbump Antennas）是一个全新天线体系的正式名称。微凸天线的别称是凸点天线 （Bump Antennas）1-6。

当天线人听到微凸天线时，可能马上会联想到微带天线（Microstrip Antennas）。 微带天线的别称是贴片天线（Patch Antennas）7-11。

作者命名微凸天线（或凸点天线）时，主要是从它们的结构出发，力求名字能够鲜明地反映出天线的特征。读者也许会注意到，天线名字中出现了与作者微信名字中一样的凸字。尽管这是纯属巧合，不过还是令作者觉得有点意思！

微凸天线的发明，最初是得到键合线天线 （Bondwire Antennas）的启示12, 13，是十多年前的事了。发明后由于时机不成熟，就放到了一边。近年来，随着毫米波在雷达与通信领域规模商用不断发展，太赫磁在通信、感知、成像领域的规模商用也正式进入到人们的视野。因此，作者认为微凸天线的时代已经到来，是时候让微凸天线从束之高阁，到走向前台，接受实践的检验。

微凸天线自成一体，分不同种类，本文仅阐述其中最重要的一类微凸天线的结构、原理及潜在的应用。至于其它种类的微凸天线，作者会以后另辟专文介绍。

结构

微凸天线结构端庄、高姿、美观、优雅。图1示意了我们在微带天线的矩形（方形）金属贴片上增加微型长方（立方）金属体，在微带天线的圆形金属贴片上增加微型圆柱金属体，在微带天线的圆形金属贴片上增加微型圆球金属体所形成的微凸天线。此类微凸天线的馈电方式可以采纳微带天线的馈电方式。

很显然，微凸天线突破了微带天线结构设计上的局限，标志着印刷和集成天线结构设计从二维平面向三维立体的重要范式转变。稍后读者会明白，当工作频率从微波上升到毫米波，尤其是到太赫磁频段，这一转变是顺其自然与合乎逻辑的发展。类似的范式转变，近年来也发生在半导体领域。在微电子时代二维平面场效应晶体管（MOSFET）是主流，到纳电子时代三维立体场效应晶体管（比如FinFET）唱主角。作者认为上述二者的范式转变从本质上讲是基于相同的逻辑，变则通，变更好14。

此外，请读者注意，微凸天线的三维立体结构设计，仍然保留了微带天线二维平面结构设计的许多优点。比如，能集成、可共形 （一定程度），易制造（标准材料与工艺）、低成本等1-4。

(a)

(b)

(c)

图1 微凸天线结构示意图

原理

作者与学生们已经完成了微凸天线的理论建模与定量分析1-6。本小节仅定性地简述微凸天线工作原理。

当微凸天线通电时，首先在金属贴片的下表面和地的上平面建立电荷分布。电荷分布由两种机制操纵；一种是相吸的机制，另一种是相斥的机制。相吸机制发生在金属贴片下表面对应的相反电荷之间及金属贴片下表面与金属地的上平面相反电荷之间。相吸机制倾向于保持金属贴片下表面的电荷集中。相斥机制发生在金属贴片下表面的同类电荷之间，它倾向于将一些电荷从金属贴片下表面边缘周围，推到顶部的三维金属体的表面。这些电荷的移动分别在金属贴片的下表面和三维金属体的表面产生相应的电流密度来实现辐射15-18。

当然，微凸天线工作原理也可以将其看作为磁单元与电单元构成的天线阵来解释。磁单元是等效的磁流元，由金属贴片、介质基片及金属地形成的微带天线来实现。电单元是由三维金属体与金属地所构建。

以图1(c)为例, 我们可以绘出圆形金属贴片及金属球体表面上的主模电流分布图。

图2(a)示意圆形金属贴片下表面上的主模TM11电流密度分布。图2(a)圆形金属贴片外围的双箭头示意主模TM11等效的磁流密度分布。图2(b)示意金属球体表面上的主模HEM11电流密度分布图。由TM11与HEM11模式电流密度分布可以确定微凸天线在边射方向辐射最强。

图3(a)示意圆形金属贴片下表面上的主模TM01电流密度分布。图3(a)圆形金属贴片外围的双箭头示意主模TM01等效的磁流密度分布。图3(b)示意金属球体表面上的主模TM10电流密度分布图。由TM01与TM10模式电流密度分布可以确定微凸天线在边射方向辐射最弱。

根据上述原理并借鉴朱兰成电小天线理论不难理解微凸天线的电性能要优于与之对应的微带天线20。微凸天线所具备的较之微带天线优良的电性能已被我们的理论、仿真与实验所验证3-6。

(a)

(b)

图2 微凸天线TM11与HEM11模式分布示意图

(a)

(b)    图3 微凸天线TM01与TM10模式分布示意图

设计

微凸天线的设计可以先从微带天线设计开始。当圆形微带天线设计完成后，根据圆形金属贴片的尺寸就可以选定金属球体的大小。金属球体的直径建议略大于圆形金属贴片的直径。金属球体截取部分的大小可以通过优化来确定。如前所述，微凸天线的馈电方式可以采纳微带天线的馈电方式。再以图1(c)为例并考虑激励出图2所示的电磁模式，微凸天线的馈电位置应比微带天线的馈电位置更接近金属贴片的边缘9。此外，微凸天线较之微带天线可以提供更多的电磁模式进行调控设计。

制造

微凸天线所需要的金属材料是非常普通的，比如锡-银-铜（Sn-Ag-Cu）合金与铜。微凸天线的一个重要优势就是可以用更加简化的标准凸块工艺来大规模生产21。

测试

微凸天线的实验室测量需要用到基于探针的准悬空式天线测试平台。感兴趣的读者可以参阅郑子阳博士与作者等人在IEEE天线与传播学会期刊上所发表的相关论文22, 23。微凸天线在产线上的快速测试可以参考第五代移动通信（5G）毫米波封装天线在产线上所用的测试策略与方法24。

应用

微凸天线是封装天线（Antenna-in-Package, AiP）技术与片上天线（Antenna-on-Chip, AoC）技术所独有的天线形式。微凸天线有望在集成系统中得到应用25-30。

(a)

(b)

图4 太赫磁片上微凸与微带天线显微照片

（芯片尺寸2 x 2 平方毫米）

结论

微凸天线是一个具备全新结构与工作机理的天线体系。微凸天线的出现标志着印刷和集成天线结构设计从二维平面向三维立体的重要范式转变。表1从电、热、力多物理场方面比较了微凸天线与微带天线的优劣。从表中可以得知微凸天线全面优于微带天线。

表1 微凸天线与微带天线比较

 

 

中文名称	微凸天线	微带天线
中文别称	凸点天线	贴片天线
结构	非平面	平面
制造	普通材料 标准工艺	普通材料 标准工艺
电磁模式	腔模与球模	腔模
阻抗带宽	宽	窄
方向系数	高	低
辐射效率	高	低
散热特性	好	差
可靠性	良	良

 

 

展望

微凸天线有望成为太赫兹集成系统的主流天线，有着大规模商用的广阔前景。微凸天线是一个全新的天线体系，应该会在将来写入到天线教科书中。

推广

作者正在大力推广微凸天线，欢迎垂询合作。

微凸天线知识体系中理论部分可以使你充分地了解微凸天线的工作机理及进行粗设计、仿真模型库部分可以使你轻松地优化与细设计微凸天线、制造部分可以帮你联系打样与量产、测试部分可以帮你完成实验室性能评估及产线功能测试方案。

如果你是天线厂商，请你考虑进入AiP与AoC技术领域，共同集成天线的未来；如果你是封测厂商，选用微凸天线将会使你的AiP技术独领风骚、鹤立鸡群；如果你是半导体厂商，选用微凸天线将会使你的AoC技术独树一帜、别具一格！

最后但是同样重要，如果你是天线研究者，欢迎贡献聪明才智，研究与发展微凸天线；如果你是太赫磁芯片设计者，鼓励选用AoC 方案，协同设计芯片与微凸天线！

致谢

中国科学院毛军发院士，中山大学（深圳）邓天伟副教授，上海交通大学郑子阳博士与方玉林博士。

文献
  1. Y. P. Zhang, T. W. Deng, “New techniques to enhance the performance of THz on-chip antenna,” Filed on 13 Feb. 2013, NIEO Ref: TD/249/13, on 13 Feb. 2015, PAT/249/13/15/US PRV2.
  2. Y. P. Zhang, T. W. Deng, “Semiconductor arrangement and method for fabricating thereof,” Filed on 13 Feb 2016 PAT/249/13/16/PCT.
  3. T. W. Deng, Y. P. Zhang, Z. Y. Zheng, Q. L. Yan, J. F. Mao, “Performance enhancement of antenna-on-chip with microbumps in flip-chip technology,” to be published.
  4. T. W. Deng, Y. P. Zhang, Z. Y. Zheng, J. F. Mao, “Significant radiation enhancement of terahertz antenna-on-chip array by micro bumps,” to be published.
  5. Y. P. Zhang, Y. L. Fang, “Theory of microbump antennas for conical radiation,”to be published.
  6. Y. L. Fang, Y. P. Zhang “Theory of microbump antennas for broadside radiation,” to be published.
  7. R. E. Munson, “Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 22, no. 1, pp.74 -78, Jan. 1974.
  8. J. Q. Howell, “Microstrip antennas,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 23, no. 1, pp. 90-93, January 1974.
  9. K. R. Carver, J. W. Mink, “Microstrip antenna technology,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol.27, no. 1, pp. 2–24, Jan. 1981.
  10. J. R. James, P. S. Hall, Eds., Handbookof Microstrip Antennas,  London,U.K.: Peter Peregrinus Ltd., 1989.
    11. 张跃平，微带天线简史，微波射频网， 2020年6月1日.
  12. Y. P. Zhang, D. Liu, “Antenna-on-chip and antenna-in-package solutions to highly-integrated millimeter-wave devices for wireless communications,” (Invited Paper) IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 57, no. 10, pp. 2830-2841, Oct. 2009.
  13. Y. P. Zhang, M. Sun, K. M. Chua, L. L. Wai, D. Liu, “Antenna-in-package design for wirebond interconnection to highly-integrated 60-GHz radios,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 57, no. 10, pp. 2842-2852, October 2009.
  14. 关凹凸，天线与晶体管，The Antennas Academy 公众号，即将发表.
  15. Y. T. Lo, D. Solomon, W. F. Richards, “Theory and experiment on microstrip antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol.27, no. 2, pp. 137–145, Mar. 1979.
  16. A. G. Derneryd, “Analysis of the microstrip disk antenna element,”IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 27, no. 5, pp. 660-664, Sep. 1979.
  17. W. C. Chew, J. A. Kong, “Analysis of a circular microstrip disk antenna with a thick dielectric substrate,” IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 29, no. 1, pp. 68-76, Jan. 1981.
  18. S. A. Long, L. C. Shen, P. B. Morel“Theory of the circular-disc printed-circuit antenna,” Proc. IEE, vol.125, pp. 925-928, Oct. 1978.
    19. J. A. Stratton, L. J. Chu, “Steady-state solutions of electromagnetic field problems. II. forced oscillations of a conducting sphere,” J. Appl. Phys., vol. 12, pp. 236-240, Mar. 1941.
  20. L. J. Chu, “Physical limitations of omni-directional antenna,” J. Appl. Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, Dec. 1948.
  21. https://www.jcetglobal.com/en/site/FuwuInfo_3
  22. Z. Y. Zheng, Y. P. Zhang, L. Y. Shi, L. S. Wu, J. F. Mao, “An overview of probe-based millimetre-wave/terahertz far-field antenna measurement setups,” IEEE Antennas  Propag. Mag., vol. 63, no. 2, pp. 111-118, April 2021.
  23. Z. Y. Zheng, Y. P. Zhang, “A study of a probe-based millimeter-wave far-field antenna measurement setup,” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 63, no. 5, pp. 118-144, Oct 2021.
  24. Y. P. Zhang, J. F. Mao, “An overview of the development of antenna-in-package technology for highly-integrated wireless devices,” Proc. IEEE, vol. 107, no. 11, pp. 2265-2280, November 2019
  25. T. W. Deng, Z. M. Chen, Y. P. Zhang, “Coupling mechanisms and effects between on-chip antenna and inductor or coplanar waveguide,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 60, no. 1, pp. 20-27, January 2013.

  26. D. Liu, Y. P. Zhang, “Integration of array antenna in chip package for 60-GHz radios,” (Invited Paper) Proc. IEEE, vol. 100, no. 7, pp. 2364-2371, Jul. 2012.

  27. Y. P. Zhang, M. Sun, D. Liu, Y. L. Lu, “Dual grid array antennas in a thin-profile package for flip-chip interconnection to highly-integrated 60-GHz radios,” (S. A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award) IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 59, no. 4, pp. 1191-1199, April 2011.
  28. Y. P. Zhang, M. Sun, L. H. Guo, “On-chip antennas for 60 GHz radios in silicon technology,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 52, no. 7, pp. 1664-1668, July 2005.
  29. Y. P. Zhang, “Antenna-in-package design for wireless system on a chip,” in Antenna and Array Technologies for Future Wireless Ecosystems, Y. Jay Guo, Richard W. Ziolkowski, Eds., Hoboken, New Jersey, U.S.: Wiley-IEEE, 2022, ch. 5, pp. 183-213.
  30. D. Liu, Y. P. Zhang, Eds., Antenna-in-Package Technology and Applications, Hoboken, New Jersey, U.S.: Wiley-IEEE, 2020.
 

编辑：黄飞