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基于集成AiP/SiP芯片组的卫星通信FPA设计优化

E. Lourandakis, A. Katsounaros, P. Fioravanti, G. Kontogiannopoulos and C. McMahon, Circuits Integrated Hellas SA

全球卫星通信系统的快速扩张¹，特别是低轨道卫星星座的日益普及，催生了对有源天线技术发展的迫切需求。²平板天线(FPA)对实现可靠高速连接至关重要，近年来已成为重点研究领域。³ 当前基于硅材料的相控阵天线设计面临单阵元辐射功率瓶颈，导致为满足发射链路指标而不得不扩大阵列规模。Circuits Integrated Hellas（CIH）开创性地将III-V族化合物半导体与硅技术集成于统一的3D封装中，突破了上述限制。⁴ 异构集成电路技术近年备受关注，⁵ CIH方案可将功率放大器（PA）、移相器和分路器等器件集成于独特紧凑的结构中。迄今尚无其他商用解决方案能在统一的3D系统级封装（SiP）与封装天线（AiP）平台中集成III-V族化合物半导体与硅集成电路用于FPA。本文将深入解析该技术如何实现前所未有的微型化、高效能与高效益。

相控天线阵列

最基础的发射用相控天线阵列是将单个天线阵元按λ/2间距排列的阵列结构，其中λ代表发射电磁波在自由空间中的波长。射频信号均匀分配至各天线分支，其振幅与相位由统称为波束形成器IC的硅基电路进行选择性调控（如图1所示）。根据特定卫星通信链路所需传输链路，可通过2×2相控阵天线基本单元构建更大规模的天线阵列。

图1 2×2相控阵天线概念示意图

CIH设计的高性能III-V族器件可满足FPA中λ/2阵列的超高性能需求。该能力正是CIH研发路线图中3D异质集成技术的核心所在。CIH解决方案通过将高性能化合物半导体（III-V族）如砷化镓和氮化镓与硅衬底进行三维集成，构建出名为Kythrion™平台的统一紧凑型SiP/AiP结构。

什么是KYTHRION？

Kythrion系列是高度集成的AiP波束赋形模块，旨在显著提升太空及地面卫星通信系统中电子扫描阵列的性能与紧凑性。该模块具备共享发射/接收孔径、多波束能力，并通过8位相位与增益分辨率实现超精细控制。凭借高效能模拟前端、片上遥测及波束记忆功能，Kythrion可实现紧凑型终端的尺寸、重量、功耗与成本（SWaP-C）指标优化，最高可达36dBm发射功率及低于1dB的接收噪声系数。该系列模块专为新一代FPA定制，其单位面积性能、集成度及快速波束敏捷性对任务至关重要。图2展示了Kythrion 3D IC异构集成平台的概念架构：图2a呈现了卫星通信收发相控阵天线的架构，图2b则展示了异构SiP集成的概念示意图。

图2 a) Kythrion架构概念图与b) 3D IC SiP集成概念图。

如图2所示，Kythrion模块专为收发双向操作设计，集成可切换右旋圆极化（RHCP）与左旋圆极化（LHCP）的双频天线，支持跨不同轨道区域的灵活链路配置。该模块包含片上去耦电容和静电放电（ESD）保护，在晶圆级通过全面直流与射频测试，确保符合严苛电气规范，并集成增强可靠性与防潮性能的解决方案。该模块采用低热阻低温共烧陶瓷(LTCC)封装，可实现PCB集成并缩短上市时间，是关键任务卫星终端和可扩展射频前端架构的理想选择。

赋能器1：封装天线

AiP技术用于将天线直接集成到半导体封装中（如片上系统SoC），以节省空间并提升性能。该技术采用先进封装工艺将天线置于射频电路附近。天线通常针对特定应用场景设计，能在特定频段工作并具备特定极化特性。商业卫星通信主要在Ku波段或Ka波段进行。Ku波段通常用于电视广播和数据通信，而Ka波段则适用于高数据速率通信链路及宽带卫星服务。在极化方式方面，圆极化天线具有显著优势：无论发射端与接收端相对方位如何，均能维持通信连接，且在移动性、抑制天气干扰及减少多径反射方面表现卓越。

CIH研发的紧凑型单孔径天线单元在流线型结构中集成了双频段与双极化功能。该先进设计支持同时发射接收操作，实现全双工功能并提升系统效率。该单元还提供圆极化特性，特别适用于要求在多径传播和动态环境中保持强健性能的应用场景。

基于该核心技术，CIH还开发了采用相同双频段双极化单元架构的4×4收发天线阵列（如图3所示）。图3a展示单个收发天线阵列的辐射图，图3b则呈现4×4天线阵列的辐射图。图3c展示单个Tx/Rx天线的S参数，图3d呈现4×4 Tx/Rx天线阵列的顶视图。该可扩展阵列方案兼具集成密度、增强的波束赋形灵活性及卓越的通道隔离性能，是5G、卫星通信及先进雷达平台等新一代通信系统的理想选择。

图3 (a)单天线辐射图、(b) 4×4天线阵列辐射图、(c)单天线S参数、(d) 4×4天线阵列俯视图

赋能器2：异构集成

图4 发射天线阵列尺寸分析。

如图4所示，CIH在天线阵列尺寸设计中假设单个贴片天线单元增益约为6dBi（微带贴片天线的典型值）。公式1给出了天线阵列理论增益G_array的计算方法。

其中：N代表单元数量，G代表单个器件增益（单位：dBi）

例如，当目标有效各向同性辐射功率(EIRP)为49dBW（优质上行链路连接的典型值）时，可通过公式2计算天线阵列所需的总射频功率(RF_power)。

基于阵列产生的总射频功率，可通过公式3、4和5计算功率放大器电路的关联功率。

通过上述计算链，可推导出维持优质卫星通信链路所需各特定EIRP级别的天线阵列尺寸。图4展示了EIRP=49dBW（卫星通信上行链路典型发射指标）的阵列尺寸分析图。

传统硅基阵列需采用34×34阵元配置（单阵元功率15dBm），而同等性能的砷化镓III-V族阵列仅需25×25阵元（单阵元功率20dBm），面积缩减约54%。通过进一步优化III-V族器件，可将面积缩减至16×16阵元（功率28dBm），仅为硅基阵列面积的22%，且成本比硅基方案降低40%。

赋能器3：III-V族MMIC系统级封装的晶圆级封装

为满足FPA所需的集成度，CIH设计方案摒弃传统III-V族分布式器件，转而采用具有增强后端工艺（BEOL）能力的集中式无源器件。

如图5所示，差分单元放大器采用变压器与分布式无源器件混合设计，在微小性能损失下实现面积最小化。同时运用硅通孔技术(TSV)实现低损耗、低电感射频布线。⁶

图5 用于III/V族MMIC设计的功率放大器拓扑结构。

图6展示了组装在PCB上的测试芯片进行GaAs TSV射频过渡的晶圆级芯片级封装（WLCSP）实验结果。同时呈现了GaAs WLCSP测试芯片上THRU线路的测量与仿真S参数响应曲线。通过背靠背配置，对从PCB焊盘经TSV至GaAs芯片传输线的完整链路进行测量，结果显示在30GHz时插入损耗仅为0.2dB。这种低损耗过渡技术为射频电路的紧凑型MMIC设计提供了可能。

图6 砷化镓TSV射频过渡结果。

该设计在优化面积与保留性能之间取得平衡，依托TSV工艺与空气桥过渡技术实现。从去嵌测量结果可见（其中电气参考平面位于PCB层TSV过渡点正下方），THRU过渡的插入损耗在Ka波段频率范围内始终低于0.2dB。

赋能器——架构示例：用于极性控制的IQ开关

基于双输出放大器开关模块控制双极化的发射天线器件⁷，Kythrion变体之一可实现具有可控右旋或左旋圆极化的发射相控天线阵列。概念架构如图7所示，放大器输入端的电路用于操控发射信号的I和Q分量。根据SPDT开关的配置，两个功率放大器分支中的I和Q或Q和I信号星座将被放大并馈入发射天线，从而产生右旋圆极化（RHCP）或左旋圆极化（LHCP）。

图7 用于极化控制的发射单元模块。

通过天线实现RHCP或LHCP辐射，为基于可控RHCP/LHCP器件的天线阵列增添了重要功能——当目标在支持RHCP或LHCP辐射的卫星通信单元间移动时，可实时调控发射天线阵列的上行链路质量。

结论

本研究提出了一种相控阵天线集成的开创性方案，通过在单个SiP和AiP模块中实现III-V族化合物半导体与硅技术的独特协同设计和三维封装得以实现。该平台背后的工程努力使关键组件的实验验证成为可能——与传统解决方案相比，其展现出行业领先的微型化水平、低损耗过渡特性，并显著缩减了阵列尺寸与成本。该架构正在申请专利。

尽管该技术目前处于高级原型与实验验证阶段，其成果已彰显该平台对下一代卫星通信的变革潜力。这些突破源于多学科团队的协作，以及在射频与封装设计领域持续创新的坚定承诺。