AntennenWas ist
AntennenWas ist Antenna-in-Package-Technologie?Antenna-in-Package (AiP) ist eine Technologie, bei der eine oder mehrere Antennen zusammenmit Transceiver-Chips in ein standardmäßiges oberflächenmontiertes Bauteil integriert werden.Sie wird häufig in 60-GHz-Gestensensoren, 77-GHz-Automobilradare,94-GHz-PhasedArrays und sogar für Frequenzenvon bis zu 122 GHz für Bildsensorenund 300 GHz für drahtloseVerbindungen eingesetzt.HintergrundDas 5G-mmWave-Spektrumverspricht ausreichende Bandbreite,um die nächste Generationvon Benutzererlebnissenund Industrieanwendungen zuermöglichen, indem Millimeterwellen(mmWave) als Trägerfrequenzenverwendet werden.Im Sub-6-GHz-Bereich wird dieSub-6-GHz-Technologie bereitsseit Jahrzehnten eingesetzt, undVerluste durch lange Kabelwaren nie ein Problem. Am Beispieldes iPhone 8 Plus lässt sichder Verlust durch lange Kabelmit Steckverbindern zwischendem WiFi- und dem Mobilfunk-Modulleicht vernachlässigen,sodass Smartphone-IDDesigner das Modul fast überallim Design-Raum platzierenkönnen. Dadurch ist die Reparaturder Hauptplatine und desAntennenmoduls einfach undunkompliziert. Andererseits kanndie mmWave-Antenne nicht weitvon den Hauptschaltkreisen, wiez.B. Verstärkern, platziert werden,sodass die Integration derAntenne in das SiP-Modul natürlichder einzige Weg ist.Quelle:Whitepaper „Antenna-in-Package AiP Technology“TMYTEKwww.tmytek.comübersetzt und gekürzt von FSChancen und HerausforderungenUm die steigenden Anforderungenan mmWave-Frontend-Module (FEM) zu erfüllen, wirdAiP zur vielversprechendstenund geeignetsten Technologie,um Phased Arrays kostengünstigzu realisieren. Gleich zeitigmüssen auch Material- und Prozessentscheidungenberücksichtigtwerden, die Kompromissezwischen technischenEinschränkungen erfordern, wiez.B. Wärme-Management, Steuerungs-Design,HF-Leistung,Kalibrierungen und vieles mehr.Die Lösung mehrdimensionalertechnischer Probleme istnicht einfach und erfordert vielErfahrung und Kreativität, umdie Produkte zu realisieren.Neben dem Design ist auch dieMassenproduktion eine großeHerausforderung, insbesonderebei Over-the-Air-Tests (OTA).Kurz gesagt ist AiP eine vielversprechendeTechnologie für5G-mmWave und sogar für die6G-LEO-Industrie.Vom Entwurf bis zur ProduktionUm ein AiP-Produkt erfolgreichzu machen, müssen vieleDetails berücksichtigt werden.In der Entwurfsphase müssenwir sicherstellen, dass die Entwurfsregelnmit der verwendetenFertigungstechnologie übereinstimmen.Während der Fertigungist eine schnelle und genaueBewertung der Leistung einesModuls von entscheidenderBedeutung und wirkt sich direktauf die Kosten und die Produktionsrateaus. Die Architekturvon mmWave-FEMs ähnelt dervon Sub-6-GHz-Funksystemenund umfasst Antennen, Verstärker,Duplexer und Schalter.Wesentliche Unterschiede beimmWave-FEMs sind die Antennenanordnungund der Beamformer.Das Antennenarray isterforderlich, um den geringenAntennengewinn aufgrund derkurzen Wellen länge der Millimeterwellenzu überwinden.Das Antennen arraysystem ermöglichtdie Strahlformung. DerStrahlformer wird eingesetzt, umdie Phase und Amplitude jedesElements des Arrays zu steuern.5G mmWave FEM ArchitecturesIn der Abbildung sind drei verschiedeneArchitekturen fürdas 5G-Phased-Array-Systemdargestellt. In der AntennenundBeamformer-Architekturzeigt der Block eine RF-FEMmit analogem Beamformer, dereine Antennenanordnung, einenDuplexer und einen Beamformerumfasst. Mittlerweile liefernmehrere Hersteller vonBeamformer-Chips solche, diefür 5G-Millimeterwellenbänderoptimiert sind. Die zweite Architekturintegriert die IF-RF-Umwandlung in das Modul,wie in dem rechteckigen Blockmit der Bezeichnung „Up &Down Conversion“ dargestellt.Da Frequenzwandler die Kommunikationsqualitäterheblichbeeinflussen, erhöht ihre Einbettungin das System die Systemleistungund reduziert dieKomplexität der Integration.Die Integration von Mischernund Filtern in das Gehäuse istkeine triviale Aufgabe, und dieLO-Signalverteilung ist ein weiteresProblem, insbesondere beigroßen und gekachelten Arrays.Die dritte Architektur basiert aufder Split-Option 7.2 von ORAN(Open RAN), um die Low-Physical-Schicht(Low PHY) in dasModul zu integrieren und so dasFront-Haul-Netzwerk im Funkzugangsnetz(RAN) zu entlasten.In dieser Architektur sind digitaleKomponenten enthalten, diedie Herausforderungen auf eineneue Ebene heben.MMIC: Beamformer-IC undAufwärts-/Abwärtswandler-ChipsEin moderner Beamformer-Chipintegriert Leistungsverstärker(PAs), rauscharme Verstärker(LNAs), Phasenschieber (PSs),variable Dämpfungsgliederund T/R-Schalter. CMOS- oderBiCMOS-Technologien werdenaufgrund der Vorteile derdigitalen Schaltungsintegrationbevorzugt, auch wenn die Ausgangsleistungnicht so gut ist wiebei GaAs- und GaN-III-V-Verbindungsprozessen.Die Chipsätzesind einer der wichtigstenAspekte bei multidimensionalentechnischen Überlegungen. Ineinem 5G-mmWave-Phased-Array ist die Ausgangsleistungnicht das einzige Kriterium.Aufgrund der Eigenschaft derorthogonalen Frequenzmultiplexierung(OFDM) in 5G ist14 hf-praxis 6/2025
AntennenVerschiedene Architekturen für das 5G-Phased-Array-Systemein PA-Backoff-Betrieb erforderlich.Dieser wird zusammen mitder Antennenarray-Verstärkungberücksichtigt, um ein Systemmit der angestrebten äquivalentenisotropen Strahlungsleistung(EIRP) und einer angemessenenEnergieeffizienz zu bilden.Antennen-DesignsDie Basisantenne ist für AiPnicht ausreichend. Auch paketspezifischeEigenschaften solltenberücksichtigt werden. Die wichtigstenLeistungsmerkmale sindBandbreite, Polarisationen undBoresight-Strahlbreite bei 3 dBund 10 dB, Steuerungsabdeckungin X- und Y-Richtung,Isolation, Rückflussdämpfung,einfache Implementierung usw.Spezifische Überlegungen fürAiP umfassen den Dk-Wert, dieGleichmäßigkeit und die Dickedes Materials usw.Übergangs- undVerbindungs-DesignAiP hat den Vorteil, dass dasgesamte drahtlose System aufKosten einer größeren vertikalenAbmessung minimiertwerden kann, da es als MMICverpackt ist. Dies kann jedochdurch die Verwendung von Diesanstelle von ICs verbessert werden.Der Abstand zwischen derAntenne und dem RFIC ist beimAiP-Ansatz viel kürzer als beieiner herkömmlichen diskretenAntenne. Dies bedeutet geringerePfadverluste, sodass dieEffizienz des Senders und dieRauschzahl des Empfängersgleichzeitig verbessert werdenkönnen. Übergänge in 16 PCB-Lagen und 26 Lagen LTCC-Verbindungenmit hervorragendenErgebnissen wurden realisiert.Filter und SpeisenetzwerkeDas BPF-Design ist auf die fürpassive Komponenten verfügbarePlatinenfläche beschränkt.Je größer der Platz für Filter ist,desto besser kann die Unterdrückungsleistungerreicht werden.Gleichzeitig stellen diethermische Stabilität und Wiederholbarkeiteine Herausforderungfür die Entwickler dar,um den Abstimmungsaufwandfür ein SMT-fähiges Gerät zureduzieren. Als Beispiel für dieMikrostreifenstruktur solltendie Toleranz der Substratdicke,die Ätzgröße und sogar dieDielektrizitätskonstante sorgfältigberücksichtigt und berechnetwerden, um die beste Leistungbei 28/39 GHz zu erzielen. Eindiskreter Filter auf einer anderenPlatine (z.B. der Hauptplatinevon SMT-fähigen AiP-Modulen)ist eine alternative Architektur,die jedoch hohe Verluste mitsich bringt.Eine weitere Herausforderungist die thermische Stabilität. DieLeistung der Filter sollte überden gesamten Betriebstemperaturbereichhinweg gleichbleibendhoch sein, um eineähnliche spektrale Effizienz zugewährleisten.Der Aufbau eines Feed-Netzwerksist für AiP-Module vonentscheidender Bedeutung, dadie Komponenten nicht außerhalbder Platine platziert werdenkönnen. Größe und Komplexitätsind wichtige Kenngrößenfür die Bewertung der Leistungeines Feed-Netzwerks. In derRegel gibt es zwei Strategien, umdieses Design-Problem zu lösen.Der erste Ansatz besteht darin,das Feed-Netzwerk in der Leiterplatteoder in LTCC-Schichten(Low Temperature CofiringCeramic) zu implementieren, umPlatz zu sparen. Dieser Ansatzerhöht jedoch die Herausforderungenhinsichtlich der Verarbeitungund der thermischen Komplexität.Eine andere Methodebesteht darin, ein Netzwerk zwischenden Beamformer-ICs aufzubauen,wobei in diesem Falljedoch größere Platzproblemeauftreten. Um die beste EIRPzu erzielen, ist es wichtig, dasDesign des Feed-Netzwerkssorgfältig zu planen.Herstellung und FertigungWie erwähnt, beeinflussenMaterial- und Verarbeitungstechnologiendie Leistung,die Kosten und die Größe vonAiP-Modulen. Eine populäreTechnologie umfasst Hochfrequenz-Leiterplattenund Niedertemperatur-Cofiring-Keramik(LTCC). Architekturen mitund ohne Frequenzwandler sindmöglich. LTCC gilt als eine fürmmWave-AiP-Designs sehr gutgeeignete Verarbeitungstechnik.Die hervorragenden elektrischenund Verpackungseigenschaftenmachen diese Technologie fürHochfrequenzanwendungen sehrattraktiv. Mit dieser Technologiekönnen bis zu einem DutzendSchichten gestapelt werden,um zahlreiche Komponentenunterzubringen und so ein sehrkompaktes Design zu erzielen.Der niedrige Verlustfaktor vonLTCC-Bändern sorgt für geringeVerluste selbst bei sehr hohenFrequenzen. Die Dielektrizitätskonstantevon LTCC-Bändernkann dazu beitragen, dieGröße passiver Komponentenzu reduzieren.OTA-PrüfungLeitfähigkeitstests sind fürmmWave-Module mit AiP-Technologiekeine Option mehr. Esstehen keine Anschlüsse oderTestpunkte für diesen Zweckzur Verfügung.Die einzige Möglichkeit, dasModul zu charakterisieren, ist dieOverThe-Air-Methode (OTA).Geschichte Traditionell ist einesperrige Kammer mit einem odermehreren mechanischen Positionierernerforderlich, um sicherzustellen,dass das Strahlungsmusterdes Prüflings korrekt undpräzise gemessen wird. In jüngererZeit hat die CATR-Technologie(Compact Antenna TestRanges) die Größe der Kammerreduziert, aber das Konzept dermechanischen Teile und Testelementeauf der Grundlage vonStrahlungsmustern beibehalten.Der seit Jahrzehnten verwendeteAnsatz wurde zum Industriestandardfür Forschung und Entwicklung.In der 5G- und LEO-Ärawird die Anzahl der zu testendenGeräte in der Produktionsliniediese alte Technologie jedochüberfordern. Probleme beimherkömmlichen Ansatz Einegroße Kammer oder CATR istein hervorragendes Werkzeugfür Forschungs- und Entwicklungszwecke,aber für Produktionslinienzu langsam und zusperrig. Mit der neuesten Technologieder Branche lässt sichbeispielsweise ein Muster inwenigen Minuten erfassen, wasim Vergleich zu unseren Vorgängernmit einem Testzyklus voneiner halben Stunde oder mehrbereits beeindruckend ist.XBeam ist eine OTA-Testlösungfür Produktionslinien,die für 5G-mmWave-Herstellerentwickelt wurde. Sie verfolgtverschiedene Ansätze, um denProduktionsanforderungen vonmmWave-Geräten gerecht zuwerden. ◄AiP FEM mit Motherboard und 8x8 Phased Array; der Local Oscillatorist nicht eingebettet.hf-praxis 6/2025 15
