隨著5G及未來6G通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，毫米波頻段因其豐富的頻譜資源成為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。天線集成封裝（AiP，Antenna in Package）技術(shù)將天線與射頻前端集成于一體，有效減小了系統(tǒng)體積，提高了集成度。在毫米波AiP天線集成中，低溫共燒陶瓷（LTCC）轉(zhuǎn)接板與有機(jī)基板的結(jié)合應(yīng)用日益廣泛。然而，由于毫米波頻段的高頻特性，電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)顯著，對(duì)天線性能和系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生重要影響。因此，開展LTCC轉(zhuǎn)接板與有機(jī)基板的多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

毫米波AiP天線集成面臨的挑戰(zhàn)

電磁場(chǎng)特性復(fù)雜

毫米波頻段波長(zhǎng)較短，天線尺寸減小，信號(hào)傳輸過程中的電磁場(chǎng)分布更加復(fù)雜。LTCC轉(zhuǎn)接板和有機(jī)基板具有不同的介電常數(shù)和損耗特性，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在兩者之間的傳輸和反射發(fā)生變化，影響天線的輻射效率和方向圖。

熱場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)影響顯著

毫米波器件在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致溫度升高。LTCC和有機(jī)基板的熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化會(huì)引起兩者之間的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致基板變形、焊點(diǎn)失效等問題，進(jìn)而影響天線的性能和系統(tǒng)的可靠性。

多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)方法

電磁場(chǎng) - 熱場(chǎng)耦合分析

通過電磁仿真軟件（如HFSS）和熱仿真軟件（如ANSYS Icepak）進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析毫米波信號(hào)在LTCC轉(zhuǎn)接板和有機(jī)基板中的傳輸特性以及產(chǎn)生的熱量分布。以下是一個(gè)基于Python調(diào)用HFSS進(jìn)行簡(jiǎn)單電磁仿真和數(shù)據(jù)處理，再結(jié)合熱場(chǎng)分析思路的示例代碼框架（實(shí)際HFSS操作需通過其API接口實(shí)現(xiàn)）：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 假設(shè)從HFSS獲取的S參數(shù)數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)化示例）

frequencies = np.linspace(24e9, 30e9, 100)  # 頻率范圍24 - 30GHz

s11_magnitude = np.random.normal(0.1, 0.02, len(frequencies))  # S11幅度

s21_magnitude = np.random.normal(0.8, 0.05, len(frequencies))  # S21幅度

# 繪制S參數(shù)曲線

plt.figure()

plt.plot(frequencies / 1e9, s11_magnitude, label='S11 Magnitude')

plt.plot(frequencies / 1e9, s21_magnitude, label='S21 Magnitude')

plt.xlabel('Frequency (GHz)')

plt.ylabel('Magnitude')

plt.title('S - Parameters of Millimeter - wave Antenna')

plt.legend()

plt.grid()

plt.show()

# 熱場(chǎng)分析思路（偽代碼描述與HFSS聯(lián)合）

# 1. 從HFSS獲取電磁損耗數(shù)據(jù)

# 2. 將損耗數(shù)據(jù)導(dǎo)入熱仿真軟件，設(shè)置邊界條件和材料熱屬性

# 3. 運(yùn)行熱仿真，獲取溫度分布

# 4. 分析溫度對(duì)天線性能的影響

# 假設(shè)從熱仿真獲取的溫度分布數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)化示例）

x = np.linspace(0, 10, 50)  # 空間坐標(biāo)

y = np.linspace(0, 10, 50)

X, Y = np.meshgrid(x, y)

temperature = 25 + 10 * np.sin(X / 2) * np.cos(Y / 2)  # 模擬溫度分布

# 繪制溫度分布圖

plt.figure()

plt.contourf(X, Y, temperature, levels=20, cmap='hot')

plt.colorbar(label='Temperature (°C)')

plt.xlabel('X Coordinate (mm)')

plt.ylabel('Y Coordinate (mm)')

plt.title('Temperature Distribution in the Package')

plt.show()

電磁場(chǎng) - 應(yīng)力場(chǎng)耦合分析

利用電磁仿真得到的天線電磁力分布，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件（如ANSYS Mechanical）分析LTCC轉(zhuǎn)接板和有機(jī)基板的應(yīng)力分布?？紤]熱膨脹系數(shù)差異，分析溫度變化引起的熱應(yīng)力對(duì)基板和天線結(jié)構(gòu)的影響。

優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

材料選擇與優(yōu)化

選擇具有合適介電常數(shù)、損耗和熱膨脹系數(shù)的LTCC和有機(jī)基板材料，以減小多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)。例如，采用低損耗的LTCC材料和具有良好熱穩(wěn)定性的有機(jī)基板材料。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過優(yōu)化LTCC轉(zhuǎn)接板和有機(jī)基板的層數(shù)、厚度以及兩者之間的連接結(jié)構(gòu)，改善信號(hào)傳輸和熱傳導(dǎo)性能，降低應(yīng)力集中。

結(jié)論

毫米波AiP天線集成中LTCC轉(zhuǎn)接板與有機(jī)基板的多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的問題。通過電磁場(chǎng) - 熱場(chǎng) - 應(yīng)力場(chǎng)的聯(lián)合仿真和分析，能夠深入了解多物理場(chǎng)之間的相互作用機(jī)制，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。采用合適的材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，可以有效減小多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)天線性能和系統(tǒng)可靠性的影響，推動(dòng)毫米波通信技術(shù)的發(fā)展。隨著仿真技術(shù)和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，多物理場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)方法將不斷完善，為毫米波AiP天線集成提供更可靠的設(shè)計(jì)方案。