封装天线(简称AiP)是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的一门技术。 AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流，为系统级无线芯片提供了良好的天线解决方案，因而深受广大芯片及封装制造商的青睐。AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积，代表着近年来天线技术的重要成就。另外，AiP技术将天线触角伸向集成电路、封装、材料与工艺等领域，倡导多学科协同设计与系统级优化。AiP技术已逐渐趋于常熟，在技术方面有很多论文和专利可供参考，但还没有一篇回顾AiP技术发展历程及其背后故事的文章，本文旨在填补这一方面的空白。在文中我将利用AiP技术发展历程中起到重要推动作用的经典设计为例，加以自己亲身经历的故事，为大家勾勒出AiP技术发展的来龙去脉。

　　1.引言

　　无线通信发展迅速，4G的商用才刚刚铺开，5G研发的热潮已迎面扑来。在未来的几年里，5G旨在实现低时延、高速率、大容量万物互联，将会彻底改变我们同世界互动的方式。为了使5G的愿景变为现实，必须突破几个关键技术藩篱，其中一个核心技术的难题就与我们的领域息息相关，即如何利用大规模MIMO天线阵列实现波束成形、扫描、追踪、锁定来有效对抗毫米波移动信道的路径损耗[1]。

　　汽车雷达改善了驾车安全同时，也提升了全新的驾车体验。目前，汽车雷达工作在24GHz和77GHz的窄频带范围，仅起到预警及辅助驾驶的作用。未来汽车雷达将朝着工作在79GHz宽频带发展，利用4GHz带宽获得更高的空间分辨率甚至实现无人驾驶[2]。2015年，谷歌手势雷达一经问世，便立刻造成全球轰动。手势雷达工作在60GHz频带，跟踪人手移动及其变化，非常适合嵌入在可穿戴设备、手机和其它电子产品中作为用户界面[3]。

　　消费类电子产品的硬件主要是通过系统级芯片(SoC)和系统级封装(SiP)技术来实现。SoC技术通过半导体工艺在同一个芯片上集成实现系统功能的各种电路。而SiP技术则是通过封装工艺将各个功能模块集成在一个封装内[4]。 尽管SOC技术可以以更低的系统成本来提高系统的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工艺，没办法使每个类型的电路性能达到最优，进而导致系统性能降低和系统功耗增加等问题。相反，SiP技术可以提升系统性能、降低系统功耗，但是由于功能模块和封装制作采用不同的材料和工艺，会导致系统的可靠性降低和系统成本增加等问题。

　　天线是无线系统中的重要部件，有分离和集成两种形式。分离天线司空见惯[5]，集成天线也已悄悄地进入到我们的视线。集成天线包括片上天线(AoC)和封装天线(AiP)两大类型[6]。AoC技术通过半导体材料与工艺将天线与其它电路集成在同一个芯片上[7-11]。考虑到成本和性能，AoC技术更适用于太赫兹频段[12-14]。AiP技术是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的封装内。 AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积，代表着近年来天线技术重大成就，因而深受广大芯片及封装制造商的青睐。如今几乎所有的60GHz无线通信和手势雷达芯片都采用了AiP技术[15-26]。除此之外，在79GHz汽车雷达[2], 94GHz相控阵天线，122GHz、145GHz和160GHz传感器以及300GHz无线链接芯片中都可以找到AiP技术的身影[27-32]。毋庸置疑，AiP技术也将会为5G毫米波移动通信系统提供很好的天线解决方案。
　　
　　很显然AoC和AiP分别属于上述SoC和SiP概念的范畴，那么我们为什么要将它们从SoC和SiP技术中明确区分开来呢?原因其实很简单，就是为了强调它们独有的辐射特性。关于AoC技术，需另辟专文详述，本文仅拟论及AiP技术。 尽管AiP技术方面的论文和专利有很多，但还没有一篇回顾AiP技术发展历程及其背后故事的文章，本文旨在填补这一方面的空白。另外，本文也是介绍封装天线技术系列文章的第一篇：历史篇。在文中我将利用AiP技术发展历程中起到重要推动作用的经典设计为例，加以自己亲身经历的故事，为大家勾勒出AiP技术发展的来龙去脉。

　　2.AiP技术发展历程

　　AiP技术早在该术语被提出和普及之前就已经存在。AiP技术继承与发扬了微带天线、多芯片电路模块及瓦片式相控阵结构的集成概念。它的发展主要得益于市场的巨大需求，硅基半导体工艺集成度的提高，驱动了研究者自90年代末不断深入地探索在芯片封装上集成单个或多个天线。

　　2.1 早期与蓝牙无线技术一起发芽

　　我于1993年初荣幸地成为香港中文大学国际知名卫星天线专家黄振峰博士课题组一员，有机会参与制造和测试多款微带天线。通过使用一种刚问世不久的低损耗高介电常数陶瓷材料，我们成功地将900MHz微带天线小型化到只有手指甲大小，这样利用几个小型化天线就可以实现手机天线辐射方向图成形，减少向人体侧辐射。研究成果不知怎样引起了时任香港中文大学校长高锟教授的注意，有一天召集我们到他办公室向他汇报。然而，我们关于实现天线小型化的研究似乎没有给高锟教授留下深刻印象。他打比喻说：将四条腿的长凳缩小到三条腿的板凳只是进化而已，大学应该尝试做一些革命性的研究。高锟教授获2009年度诺贝尔物理学奖，也许高锟教授这样伟大的科学家更关注研究的科学价值，而我们则更强调潜在的应用。幸运的是，我们关于天线小型化的工作在天线领域受到欢迎，并在1995年IEEE天线与传播国际研讨会上与摩托罗拉公司设计的类似天线在同一会场宣读[33]，直接促进了陶瓷贴片天线的发展。1996年，我加入了香港城市大学国际著名的天线实验室从事介质谐振器天线研究。偶然的机会我在香港城市大学遇到了材料科学家李国源博士，他热情地向我介绍了他研究的LTCC材料与工艺，并用一块可以表贴集成电路内有埋置去耦电容的LTCC基板讲解了厚膜电路的优缺点，临别时还慷慨地向我赠送了好多块他烧好的LTCC基板用于天线研究。这些LTCC基板除了后来用于天线试验毁坏的以外，剩余的我至今还保留着。李国源博士现在是华南理工大学教授。1998年，我离开任教的香港大学前往新加坡南洋理工大学就职。令我惊讶的是，我被分派到电路与系统系而非通信工程系，后者有几位教授及先进的实验室从事天线与电磁波传播研究。 在参观集成电路实验室时，我看到了图一所示的装置，就问实验室一个研究生那是微带天线吗?研究生回答到：“不，那不是，那是一个集成电路芯片。”不久，电路与系统系启动了“片上软件无线电”的战略性研究项目，我的任务是为这个项目开发天线技术。因为对图1所示的集成电路芯片同微带天线结构相似的着迷，以及预测到未来有可能产生一种革命性的天线解决方案所激动，我很快决定研究图1所示集成电路芯片作为天线的可行性[34]。首先，我找来许多现成的陶瓷封装集成电路芯片来进行天线及电路实验研究它们之间的相互影响。图2左就是当时实验过的一个在双列直插式封装上实现的2.4GHz天线。后来发现利用现成的陶瓷封装集成电路芯片来进行天线实验有很大的局限性，于是决定利用印刷电路板(PCB)工艺加工集成电路封装结构模型且印制有天线。图2中所示的集成电路封装结构模型利用了三层电路板，天线印制在顶层板上，信号线及封装地在低层板上实现，中间层中空夹在顶低层之间形成一个腔体来携带裸芯片。图2中顶层板印制了5.2GHz微带天线，如果顶层板换成图2中左下角所示的板，则模拟集成电路封装结构是一款集成有2.4GHz及5.2GHz双频微带天线。上述在现成的陶瓷封装集成电路芯片和PCB加工的模型上尝试，都获得了令人满意的实验结果。受其鼓舞，我和我的学生林伟、薛阳及王珺珺于2003年利用LTCC工艺实现了多款真正工业意义上的封装天线[35]。图2右是一款利用 LTCC工艺为蓝牙芯片开发的差分封装天线。