周 禮，唐 旻，錢佳唯，張躍平，毛軍發(fā)

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院電子工程系，上海 200240；2.新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院，新加坡 639798）

1 引言

隨著系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷發(fā)展，小型化、低功耗、高集成度的無線通信系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用.在系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了充分利用空間資源，通常要求將有源芯片、無源器件以及天線結(jié)構(gòu)集成在十分有限的空間內(nèi)［1，2］.雖然系統(tǒng)的輸入總功率有所降低，但是由于整體尺寸的顯著減小，其中的功率密度反而增加，散熱問題變得越來越嚴重.集成系統(tǒng)內(nèi)部工作溫度的上升容易引起器件性能的惡化，導致系統(tǒng)無法正常工作，甚至嚴重損毀.因此，在系統(tǒng)的電磁設(shè)計過程中，必須要同時考慮系統(tǒng)的散熱性能.

為了降低熱點溫度，保證系統(tǒng)的正常工作，在高功率密度的無線通信集成系統(tǒng)中，往往需要引入額外的散熱結(jié)構(gòu)，例如鰭片式金屬散熱器等.然而，由于金屬散熱片通常緊鄰集成電路，其易與芯片、互連線、天線等各種有源和無源器件產(chǎn)生電磁耦合，引起電磁兼容問題，導致能量損耗或引入額外噪聲［3，4］.尤其是對于包含天線的集成系統(tǒng)，金屬散熱片自身的寄生輻射還有可能導致天線性能的惡化，從而干擾通信系統(tǒng)的正常工作.

針對金屬散熱片引起的電磁兼容問題，常見的解決方案是通過引入額外的屏蔽結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化布局來抑制金屬散熱片引起的近場耦合和寄生輻射問題［5～8］，但同時這樣也會增加設(shè)計的復雜度和成本.為了同時兼顧無線通信集成系統(tǒng)的電磁性能和散熱性能，對散熱片的輻射特性進行有效利用，將其設(shè)計為一個無線信號的高效輻射體，則是一種更加行之有效的解決方案.在此背景下，兼具電磁輻射特性和散熱性能的散熱天線受到了人們的重點關(guān)注.散熱天線不僅可以解決散熱片的近場耦合和寄生輻射問題，降低散熱片對系統(tǒng)性能的影響；還可以實現(xiàn)散熱結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)的一體化，減少系統(tǒng)的器件數(shù)量，提高系統(tǒng)的集成度.

本文將針對無線通信集成系統(tǒng)的散熱天線設(shè)計方案進行綜述和討論.首先介紹散熱單天線的典型結(jié)構(gòu)和增強散熱性能的設(shè)計方法；接下來，針對5G 無線通信系統(tǒng)的工作需求，重點闡述毫米波散熱天線陣列結(jié)構(gòu)以及電熱協(xié)同設(shè)計方法；最后，對面向系統(tǒng)集成的散熱天線設(shè)計進行總結(jié)和展望.

2 散熱單天線設(shè)計

目前，散熱單天線的主要形式有兩類.第一類是在貼片天線上方搭載鰭片式或分形式金屬散熱片，增加整體結(jié)構(gòu)的散熱面積，同時提升天線的輻射性能；第二類則是采用表面積較大的貼片天線直接與空氣對流散熱.

最早提出的散熱天線概念［9］是一種兼具電磁輻射特性和散熱性能的新型結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)天線和散熱器的功能一體化.例如，基于傳統(tǒng)印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）的微帶貼片天線，在其上方搭載了一個金屬鰭片式散熱片，從而將散熱片結(jié)構(gòu)和天線結(jié)合，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示［10］.在貼片中心有一根較粗的導熱過孔，用于向散熱片傳遞需要耗散的熱量，而在貼片邊緣還有一根較細的信號過孔，用于向散熱天線饋電.通過仿真分析，額外加載的金屬散熱片不僅沒有降低或者惡化天線的輻射性能，反而起到了類似金屬引向器的效果，增強了原本微帶貼片天線的輻射強度.為了驗證上述方案的電磁性能，本文設(shè)計并加工了一個工作在2.4 GHz 的散熱天線結(jié)構(gòu)，如圖2 所示［9］.實際測試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的微帶貼片天線，在加載金屬鰭片式散熱片的情況下，工作頻率下降了165 MHz，輻射效率由33%提高到62%，最大增益由2.5 dBi 提高到4.5 dBi.

圖1 散熱天線構(gòu)架示意圖[10]

圖2 基于貼片天線的散熱天線樣品[9]

在此基礎(chǔ)上，本文進一步考慮了金屬散熱鰭片與微帶貼片正交方向?qū)μ炀€輻射的影響［11］，并分別研究了散熱鰭片平行于輻射邊以及平行于非輻射邊的場景，如圖3 所示.由于散熱鰭片改變了貼片天線的輸入阻抗，因此在饋線部分添加了一個枝節(jié)線用于調(diào)諧.圖4給出了散熱天線與基本貼片天線的回波損耗的測量結(jié)果比較.可以發(fā)現(xiàn)，散熱天線的工作帶寬具有顯著優(yōu)勢.此外，在散熱鰭片平行于微帶貼片非輻射邊的情況下，散熱天線的方向性和增益要優(yōu)于散熱鰭片平行于微帶貼片輻射邊的情況，兩者的輻射效率則比較接近.

圖3 散熱天線樣品[11]

圖4 天線回波損耗的測試結(jié)果比較[11]

作為傳統(tǒng)散熱片形式的一種擴展，基于3D 打印技術(shù)可以實現(xiàn)分形結(jié)構(gòu)的散熱天線［12］，如圖5所示.相比單一的微帶貼片天線，對金屬散熱結(jié)構(gòu)進行分形化設(shè)計可增大散熱面積，還能進一步改善散熱天線的輻射效率和方向性，分別提高至98%和8.21 dBi.

圖5 3D打印分形散熱天線樣品[12]

此外，針對GSM900，GSM1800和3G的三頻段天線，采用在貼片上增加散熱鰭片的設(shè)計方案，可在加強散熱的同時將天線輻射效率提升20%，增益提高2～3.5 dB［13］.在微帶貼片和鰭狀散熱片之間配置微機電系統(tǒng)開關(guān)，通過開關(guān)的通斷可以調(diào)節(jié)天線的散熱和電磁性能［14］，天線增益從5.9 dBi 提升至8.2 dBi，天線溫度最多可降低27 ℃.

作為第二類散熱天線形式，采用空氣介質(zhì)的微帶貼片天線可以利用空氣對流實現(xiàn)散熱天線的效果.例如，有學者提出一種采用空氣介質(zhì)的射頻有源散熱天線［15］，如圖6所示.在貼片天線中心有一根較粗的導熱過孔，用于向散熱貼片傳遞需要耗散的熱量，而在貼片邊緣通過一根短饋線給微帶貼片天線饋電.該天線增益可達5 dBi，由于中心頻率工作在2 GHz，貼片天線尺寸較大，具有充分的空氣接觸面積，因此無需額外散熱結(jié)構(gòu)，自身即可實現(xiàn)很好的散熱效果，其熱阻為6～8 K/W.

圖6 有源散熱天線樣品[15]

除了通過貼片天線直接散熱，還可通過在有源微帶貼片的表面添加額外藍寶石層來增強散熱效果［16］，如圖7 所示.研究表明，藍寶石層對天線的增益、方向圖和回波損耗均不會產(chǎn)生明顯的影響，并且能夠起到很好的散熱效果，散熱功率密度可達1 W/cm2.在9 W的輸入功率和26 ℃的測試環(huán)境溫度下，有、無藍寶石散熱層的天線表面溫度分別為80 ℃和137 ℃，實現(xiàn)了接近60 ℃的顯著降溫，驗證了藍寶石層的散熱增強效果.此外，還可設(shè)計散熱縫隙天線結(jié)構(gòu)［17］，如圖8 所示.其在完整的金屬地板上設(shè)計了U 型槽縫隙作為輻射源，因此余下的金屬地板部分可通過空氣對流實現(xiàn)有效的散熱效果.

圖7 擁有藍寶石層的微帶散熱天線樣品[16]

圖8 縫隙散熱天線樣品[17]

3 散熱天線陣列設(shè)計

上節(jié)主要介紹了散熱單天線的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，這些方案主要針對S，C 波段等低頻段的應用場景.在低頻段工作時，由于天線尺寸較大，可將散熱片與貼片天線直接組合進行散熱，或是設(shè)計與空氣接觸面積較大的天線結(jié)構(gòu)形式.而無線通信集成系統(tǒng)工作頻段較高，且通常采用相控陣技術(shù)來實現(xiàn)復雜的波束成形和波束偏轉(zhuǎn).高頻工作的陣列天線，其單元大小和間距通常很小，極大壓縮了金屬散熱片的設(shè)計空間.將散熱片與貼片天線直接組合進行散熱的傳統(tǒng)方案不易于天線組陣，難以滿足高增益、窄波束、波束掃描等應用場景的需求.因此，本節(jié)主要闡述應用于毫米波頻段的散熱天線陣列設(shè)計方案.

目前常用的毫米波天線集成構(gòu)架是將散熱片或散熱裝置與天線陣列分置于系統(tǒng)的兩側(cè)［18～25］，如圖9 所示.此類方案在實現(xiàn)散熱性能的同時避免了散熱裝置對天線性能的影響，但附加的散熱裝置使系統(tǒng)器件數(shù)量和復雜程度均有所提升.而兼具電磁輻射特性和散熱性能的散熱天線方案不但可以實現(xiàn)散熱結(jié)構(gòu)和天線結(jié)構(gòu)的一體化，提高系統(tǒng)的集成度，并且還有助于提升天線的輻射性能.

圖9 天線集成架構(gòu)

針對毫米波5G 基站天線陣列中的熱管理問題，可采取平面有源電掃描天線陣列的稀疏排列布局方法［26］.該方法在保持單元數(shù)不變前提下增加單元間距實現(xiàn)稀疏性，通過研究不同的稀疏陣列拓撲來提高天線陣列的散熱性能，同時降低旁瓣或柵瓣.圖10 給出了28.5 GHz 的帶有導熱過孔的單元間距為0.5λ 的8×8方形陣列仿真結(jié)果，可以看出，由于導熱過孔位于輻射片的中間，因此對電磁性能的影響很小.采用被動冷卻的有源電掃描天線陣列與無風扇的中央處理器散熱器相結(jié)合的思路，具有節(jié)能、成本低及有較大的波束成形靈活性的特點，為5G系統(tǒng)的熱管理提供了解決思路.

圖10 帶有散熱器的陣列仿真結(jié)果[26]

此外，基于新型封裝工藝，可實現(xiàn)一種用于毫米波多輸入多輸出和相控陣應用的沖壓金屬封裝天線［27］.天線的饋電和短路金屬壁連接到芯片屏蔽結(jié)構(gòu)以引導射頻集成電路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）的熱量耗散，如圖11 所示.該1×8 陣列的阻抗帶寬為700 MHz，中心頻率為28.5 GHz，實測增益為13.78 dBi.其3 dB 的波束掃描范圍為-46°～+44°，最大副瓣電平小于-10 dB.熱仿真結(jié)果顯示，散熱天線結(jié)構(gòu)有助于RFIC 進行熱量耗散，在環(huán)境溫度為25 ℃和換熱系數(shù)為10 W/m2K 的情況下，最高溫度由67.6 ℃降低至56.6 ℃.

圖11 沖壓金屬AiP[27]

結(jié)合周期性排布的散熱鰭片特征，是毫米波散熱天線陣列設(shè)計的另一個思路.例如，文獻［28］基于金屬鰭狀散熱片結(jié)構(gòu)，開發(fā)了工作頻率為60 GHz 的散熱天線陣列.鰭狀散熱片由3D 打印技術(shù)制造，其饋電網(wǎng)絡由低溫共燒陶瓷基板中的基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）網(wǎng)絡構(gòu)成.天線單元為散熱片底座的矩形通腔與兩側(cè)鰭狀散熱片構(gòu)成的階梯剖面開口喇叭天線，如圖12所示，由SIW 上表面的矩形縫隙耦合饋電.在毫米波頻段，SIW 具有損耗小、抗干擾、抑制表面波等良好電磁特性.

圖12 散熱天線陣單元

散熱天線陣的整體結(jié)構(gòu)如圖13 所示［28］，散熱片與基板通過焊接組裝構(gòu)成4×4 散熱天線陣列.上層的SIW 為天線單元的饋電結(jié)構(gòu)，包含16 個矩形腔.下層SIW 為1 分16 路的功率分配網(wǎng)絡.兩層SIW 間采用金屬過孔探針的方式進行轉(zhuǎn)接［29］.從傳熱角度來看，SIW饋電網(wǎng)絡包含大量金屬過孔，它們可同時作為導熱過孔將基板底層貼裝芯片上的熱量有效傳導到上層的散熱片，如圖14所示.

圖13 鰭片式散熱天線陣列的分解圖[28]

圖14 散熱天線陣列中的傳熱示意圖

接下來，基于電熱協(xié)同設(shè)計，研究了鰭狀散熱片結(jié)構(gòu)尺寸對天線電磁性能和散熱性能的影響.鰭狀散熱片的寬度w、高度g對天線溫度和增益影響的仿真結(jié)果如圖15 所示.天線的增益隨著散熱片的寬度增加而先升高，再逐漸趨于穩(wěn)定.增益受散熱片的高度的影響與寬度的影響類似，先隨高度增加而升高，再在小范圍內(nèi)波動；而寬度與高度的增加顯著增大了散熱片與空氣的熱交換面積，提升了散熱能力.在綜合考慮天線電磁性能和散熱性能后，可最終確定金屬鰭片的尺寸.作為散熱效果的仿真驗證，假設(shè)結(jié)構(gòu)底部貼裝的芯片耗散功率為0.2 W，在環(huán)境溫度和換熱系數(shù)分別為27 ℃和10 W/m2K 的情況下，加載金屬散熱片后的結(jié)構(gòu)熱點溫度為313 K，比未加載散熱片時下降了40 K，實現(xiàn)了有效散熱.

圖15 散熱片尺寸對天線溫度和增益的影響

為了驗證上述方案的電磁輻射特性，加工了散熱天線陣列樣品，如圖16 所示.通過測試得到天線陣列阻抗帶寬為11.7%（55.7～62.7 GHz），頻率范圍內(nèi)最高增益為18.1 dBi，如圖17所示.天線陣列在60 GHz處的歸一化方向圖如圖18 所示，E 面和H 面的波束寬度分別為15°和16°，副瓣電平均低于-12 dB.

圖16 鰭片式散熱天線樣品

圖17 散熱天線陣列仿真與測試結(jié)果

圖18 散熱天線陣列方向圖

為了擴展天線的阻抗帶寬，降低副瓣電平，可采用一種3D金屬Vivaldi散熱天線陣列［30］.它由上層的金屬Vivaldi 輻射結(jié)構(gòu)、散熱片與下層的SIW 饋電網(wǎng)絡構(gòu)成，如圖19 所示.下層PCB 基板中包含1 分4 的SIW 功率分配網(wǎng)絡，芯片位于輻射中心下方.Vivaldi 天線單元由SIW 上的縱向縫隙饋電，以此取代傳統(tǒng)Vivaldi 天線的巴倫饋電結(jié)構(gòu).Vivaldi 天線兩側(cè)的鰭狀結(jié)構(gòu)不僅有助增強天線散熱性能，還可以改善天線的輻射特性.

圖19 Vivaldi散熱天線陣列分解圖[30]

基于電熱協(xié)同設(shè)計，對Vivaldi 天線兩側(cè)散熱片的間距和高度進行了仿真研究.當間距增加時，天線增益逐漸增加至峰值，而后逐漸降低.而天線的溫度對散熱片的間距變化不敏感.散熱片的高度增加對天線增益的提升明顯，當高度與Vivaldi 天線一致時，增益達到最大值.隨后高度的增加會使增益略微降低.同時，天線的溫度會隨散熱片的高度增加而逐漸降低.作為散熱效果的仿真驗證，假設(shè)結(jié)構(gòu)底部貼裝的芯片耗散功率為0.5 W，在環(huán)境溫度和換熱系數(shù)分別為27 ℃和10 W/m2K 的情況下，加載Vivaldi 天線和散熱片結(jié)構(gòu)的熱點溫度為322 K，比未加載散熱片時下降了18 K，實現(xiàn)了有效散熱.

為了驗證上述方案的電磁輻射特性，加工了散熱天線陣列樣品，如圖20 所示.通過測試得到天線陣列的阻抗帶寬為28.8%（21.63～28.83 GHz），工作頻率范圍內(nèi)最高增益為15.5 dBi，如圖21 所示.天線陣列在25 GHz 處的歸一化方向圖如圖22 所示，E 面和H 面的波束寬度分別為21°和40°，副瓣電平均低于-15 dB.

圖20 Vivaldi散熱天線陣列樣品

圖21 散熱天線仿真與測試結(jié)果

圖22 散熱天線方向圖

4 總結(jié)和展望

本文對無線通信集成系統(tǒng)的散熱天線設(shè)計方案進行綜述和討論.首先介紹了散熱單天線的典型結(jié)構(gòu)和增強散熱性能的設(shè)計方法，包括在傳統(tǒng)微帶貼片天線上加載散熱片、采用分形結(jié)構(gòu)提高散熱性能、采用空氣介質(zhì)的微帶天線增加空氣對流散熱面積、添加藍寶石層來增強散熱效果等.進一步，針對現(xiàn)有散熱單天線設(shè)計方案在毫米波天線以及陣列天線領(lǐng)域的應用缺陷，著重介紹了基于3D打印技術(shù)的毫米波散熱天線陣列的電熱協(xié)同設(shè)計方案，包括金屬鰭片式散熱天線陣列以及金屬Vivaldi散熱天線陣列.仿真和測試結(jié)果表明，散熱天線兼具良好的電磁輻射特性和散熱性能，可成功實現(xiàn)天線和散熱器的功能一體化，提高系統(tǒng)的集成度.

隨著5G 無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通訊基站和終端產(chǎn)品中毫米波天線陣列的應用越來越普及，對集成系統(tǒng)的散熱要求也越來越高.因此，面向毫米波頻段的散熱天線陣列技術(shù)將有非常廣泛的應用前景.雖然目前已取得了一些初步研究進展，但是距離產(chǎn)品實用化還有不少差距，仍存在一系列理論問題和關(guān)鍵技術(shù)亟待突破解決，可歸結(jié)為以下3個方面.

其一，毫米波散熱天線陣列的設(shè)計不僅涉及電磁兼容、阻抗匹配、模式匹配等復雜的電磁問題，還需要綜合考慮集成系統(tǒng)的散熱問題，而在設(shè)計過程中它們之間通常會產(chǎn)生矛盾.天線類型的選擇對組陣、高增益、窄波束和波束掃描等技術(shù)指標的實現(xiàn)有重要的影響.同時，不同類型的天線結(jié)構(gòu)以及不同芯片的位置布局，還決定了系統(tǒng)的溫度分布特征.因此需要根據(jù)實際應用場景，建立完善電熱協(xié)同設(shè)計理論和多目標、多性能優(yōu)化技術(shù).

其二，毫米波散熱天線陣列的電磁性能和散熱性能與所采用的金屬材料、介質(zhì)基底材料以及熱界面材料等關(guān)系密切，同時還受到加工工藝的限制和影響.針對不同的封裝架構(gòu)，如板上芯片封裝、倒裝焊芯片封裝、帶有額外中介層的封裝等，需妥善解決封裝工藝中系統(tǒng)熱耗如何有效傳導至散熱天線的具體問題，在設(shè)計過程中需全面考慮材料、工藝、成本、可靠性等綜合因素.

其三，為了提高無線通信集成系統(tǒng)的散熱能力，除了本文討論的被動式散熱技術(shù)外，還可以采用風冷、液冷、相變材料、熱管冷卻、熱電制冷等方式進行.如何將毫米波天線技術(shù)與先進制冷方式進行有機結(jié)合，開發(fā)具備主動散熱機制的毫米波散熱天線技術(shù)，值得進一步研究探索.