CN103022677B - 相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线 - Google Patents

Abstract

相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线涉及一种喇叭天线。该天线包括集成在一块介质基板(4)上的金属化垂直过孔馈线(1)、喇叭天线(2)和金属化过孔(3)，介质基板(4)在三维封装(5)最上面，金属化垂直过孔馈线(1)一端与内部电路(8)相连，喇叭天线(2)由底面金属平面(6)、顶面金属平面(9)和金属化过孔侧壁(11)组成，由金属化过孔(3)构成的中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)，在喇叭天线(2)中形成四个介质填充波导，天线中电磁波能等幅同相到达天线口径面(12)，且介质填充波导波阻抗等于自由空间波阻抗。该天线可以提高天线增益和减少回波损耗。

Description

相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线，尤其是一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线。

背景技术

采用微组装技术，可以把一个射频系统集成在一个封装内，为此也需要把天线集成在封装的表面。在封装表面集成贴片天线是一种很自然的方式，但贴片天线的辐射主向是表面的法向，而我们有时需要的辐射主向是沿着表面方向。如果在封装表面集成喇叭天线就可以实现沿表面方向的辐射。但是，通常喇叭天线是非平面的，与平面电路工艺的不兼容、具有的较大的几何尺寸，从而限制了其在封装结构上的应用。近年来，基于基片集成波导技术发展的基片集成波导喇叭天线具有尺寸小、重量轻、易于平面集成的特点，但传统的基片集成波导喇叭天线的增益相对比较低，其原因在于由于喇叭口不断的张开，导致电磁波传播到喇叭口径面时出现相位不同步，口径面上电场强度的相位分布不均匀，辐射方向性和增益降低，而且口径面上电磁波的波阻抗不同于自由空间的波阻抗，在介质与空气分界面上会引起电磁波反射、影响了天线的回波损耗和辐射性能；另外口径面上电磁场的幅度也很不均匀，中间大两边小，这也影响天线的辐射性能。目前已有采用介质加载、介质棱镜等方法，矫正喇叭口径面相位的不同步，但是这些方法都不能改善口径面上喇叭天线与自由空间波阻抗的不一致，也不能改善口径面上电磁场幅度分布的均匀性，而且这些相位校准结构增加了天线的整体结构尺寸，不适合集成到封装表面。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提出一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，该喇叭天线内部嵌有金属化过孔阵列用以改善天线口径面上电磁波的相位和幅度分布的均匀性以及天线与自由空间波阻抗的一致性，提高天线的口径效率和增益，减少天线的反射。

技术方案：本发明的相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线包括设置在介质基板上的金属化垂直过孔馈线、基片集成波导喇叭天线和内嵌金属化过孔，介质基板在三维封装的最上面；所述金属化垂直过孔馈线与三维封装的内部电路相连；基片集成波导喇叭天线由位于介质基板一面的底面金属平面、位于介质基板另一面的顶面金属平面和穿过介质基板连接底面金属平面顶面金属平面的金属化过孔喇叭侧壁组成；基片集成波导喇叭天线中内嵌的金属化过孔连接底面金属平面和顶面金属平面，并构成中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列；在喇叭天线中有第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导。

金属化垂直过孔馈线的一端穿过介质基板底面金属平面上的圆孔与三维封装的内部电路相连，其另一端顶端有个圆形焊盘，金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘10在介质基板的顶面金属平面的圆孔中心，因此金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘与介质基板的顶面金属平面没有直接的电接触。

基片集成波导喇叭天线由窄截面波导、喇叭形波导和宽截面波导串接构成；窄截面波导的一端是短路面，窄截面波导的另一端与喇叭形波导相连，喇叭形波导的一端与窄截面波导相连，喇叭形波导的另一端与宽截面波导相连，宽截面波导的另一端是天线口径面。

中间金属化过孔阵列位于基片集成波导喇叭天线的两个侧壁中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线分为左右对称的两部分，在中间的金属化过孔阵列的两侧，对称的有左边介质填充波导和右边介质填充波导。

左边金属化过孔阵列把左边介质填充波导分成第一介质填充波导和第二介质填充波导，右边金属化过孔阵列把右边的介质填充波导分成第三介质填充波导和第四介质填充波导。

中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成；中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列中的头端部分或者尾端部分的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度；中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线；中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面方向，中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列的尾端在天线口径面上。

左边介质填充波导、右边介质填充波导、第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导的宽度均要保证其主模可以左边介质填充波导、右边介质填充波导、第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导中传输而不被截止。

第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导的一端均朝着喇叭天线窄截面波导的短路面方向，其另一端均在天线口径面上，并且第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导在天线口径面上端口的宽度一样，而且端口的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。

选择左边金属化过孔阵列中头端部分或多边形在左边介质填充波导中的位置，使得通过第一介质填充波导和第二介质填充波导中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上辐射。

选择右边金属化过孔阵列中头端部分或多边形在右边介质填充波导中的位置，使得通过第三介质填充波导和第四介质填充波导中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上辐射。

金属化过孔喇叭侧壁中，相邻的两个金属化过孔的间距要小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔喇叭侧壁能够等效为电壁；相邻的两个金属化过孔的间距要等于或者小于工作波长的十分之一，使得构成的中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列可以等效为电壁。

在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的传播相速和波阻抗都与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模的传播相速和波阻抗就越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模的传播相速和波阻抗就越高。来自封装内部电路的电磁波信号从金属化垂直过孔馈线的一端通过天线的输入输出端口进入到基片集成波导喇叭天线，在向天线的口径面方向传播一段距离后，遇到中间的金属化过孔阵列，就分成功率相等的两路分别进入左右两个介质填充波导传输。左右两个介质填充波导完全对称，以左边的介质填充波导为例说明。当电磁波进入左边的介质填充波导传输后一段距离后，将遇到一个金属化过孔阵列，再被分成两路通过介质填充波导向口径面传输；调整中间金属化过孔阵列中多边形顶点的位置、调整左边的介质填充波导该金属化过孔阵列头端的位置以及金属化过孔阵列中多边形顶点的位置，可以改变这两路电磁波传输的相对相速，使得这两路电磁波同相到达天线的口径面，同时可以使得通过这两个介质填充波导传输的电磁波的功率也相等；电磁波在右边的介质填充波导中传输也是同样的情况。这样在天线的口径面四个宽度相等的端口，电磁波的相位和幅度都一致，因而达到提高天线的口径效率和增益的目的，而且由于电磁波在这四个介质填充波导中的波阻抗都等于自由空间的波阻抗，即介质填充波导的端口宽度a都满足条件也就是端口宽度a等于自由空间波长λ乘以介质相对介电常数ε的平方根再除于介质相对介电常数ε减1的平方根的两倍，因此天线口径面的反射就小。

有益效果：本发明相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线的有益效果是，在三维封装的表面改善了天线口径面上电磁波的相位和幅度分布的均匀性、同时又使得口径面上天线电磁波的波阻抗等于自由空间的波阻抗，从而提高了天线的增益和减小了天线的回波损耗。

附图说明

图1为相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线封装结构示意图。

图2为相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线正面结构示意图。

图3为相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线反面结构示意图。

图中有：金属化垂直过孔馈线1、基片集成波导喇叭天线2、内嵌金属化过孔3、介质基板4、三维封装5，底面金属平面6、底面金属平面圆孔7、内部电路8、顶面金属平面9、金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘10、金属化过孔喇叭侧壁11、天线的口径面12、天线的窄截面波导13、天线的喇叭形波导14、天线的宽截面波导15、窄截面波导的短路面16、中间金属化过孔阵列17、左边金属化过孔阵列18、右边金属化过孔阵列19、左边介质填充波导20、右边介质填充波导21、第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所采用的实施方案是：相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线由金属化垂直过孔馈线1、基片集成波导喇叭天线2和内嵌金属化过孔3三部分组成，这三部分都集成在同一块介质基板4上，介质基板4在三维封装5的最上面；金属化垂直过孔馈线1垂直贯通介质基板4，金属化垂直过孔馈线1的一端穿过介质基板4底面金属平面6上的圆孔7与三维封装5的内部电路8相连，是天线的输入输出端口，金属化垂直过孔馈线6的另一端的顶端有个圆形焊盘10，圆形焊盘10在介质基板4的顶面金属平面9的圆孔中心，因此金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘10与介质基板的顶面金属平面9没有直接的电接触；基片集成波导喇叭天线2由底面金属平面6、顶面金属平面9和金属化过孔喇叭侧壁11组成，底面金属平面6和顶面金属平面9分别位于介质基板4的两面，金属化过孔侧壁11连接底面金属平面6和顶面金属平面9；喇叭天线2从天线的输入输出端口到天线的口径面12分为窄截面波导13，喇叭形波导14和宽截面波导15三部分；窄截面波导13的一端被金属化过孔侧壁11短路构成窄截面波导的短路面16，另一端与喇叭形波导14相接，金属化垂直过孔馈线1在窄截面波导13宽边的中心线上；在基片集成波导喇叭天线2中内嵌的金属化过孔3连接底面金属平面6和顶面金属平面9，这些内嵌的金属化过孔3构成中间金属化过孔阵列17、左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19；中间的金属化过孔阵列17位于喇叭天线两侧壁11中间的位置，在中间的金属化过孔阵列17的两侧，对称的有左边介质填充波导20和右边介质填充波导21；中间金属化过孔阵列17形状是一段头端部分接多边形再接一段尾端部分，中间金属化过孔阵列17的头端朝着喇叭天线的窄截面波导的短路面16的方向，中间金属化过孔阵列17的尾端伸到喇叭天线的口径面12；在喇叭天线2左边的介质填充波导20中有左边金属化过孔阵列18，把左边介质填充波导20分成第一介质填充波导22和第二介质填充波导23；在喇叭天线右边介质填充波导21中，有一个金属化过孔阵列19，把右边介质填充波导21分成第三介质填充波导24和第四介质填充波导25；左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19形状都是一段头端部分接多边形再接一段尾端部分，左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19的头端都朝着喇叭天线2的窄截面波导的短路面16的方向、左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19的尾端在喇叭天线2的口径面12上；中间金属化过孔阵列17、左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19在天线2的宽截面波导15中形成四个宽度相等的介质填充波导，即第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25，并且设定第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25的宽度使得这些介质填充波导在天线口径面12的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。

在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的传播的相速和波阻抗都与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模的传输相速和波阻抗就越低；反之，介质填充波导宽度越窄，主模的传输相速和波阻抗就越高。来自内部电路8的电磁波信号从金属化垂直过孔馈线1的一端通过天线的输入输出端口进入到基片集成波导喇叭天线2，传播一段距离后，遇到中间金属化过孔阵列17，由于对称性，电磁波就分成功率相等的两路分别进入左边介质填充波导20和右边介质填充波导21传输。左边介质填充波导20和右边介质填充波导21完全对称，以左边的介质填充波导20为例说明，当电磁波进入左边介质填充波导20传输后一段距离后，将遇到左边金属化过孔阵列18，再被分成两路分别通过第一介质填充波导22和第二介质填充波导23向天线口径面12的方向传输，调整中间金属化过孔阵列17中多边形顶点的位置、调整左边介质填充波导20中金属化过孔阵列18的头端的位置以及金属化过孔阵列18中多边形顶点的位置，可以保证通过第一介质填充波导22和第二介质填充波导23传输的电磁波的功率相等，并且同相到达天线的口见面12；电磁波在右边介质填充波导21中传输也是同样的情况。这样在天线的口径面四个宽度相等的端口，电磁波的相位和幅度都一致，因而达到提高天线的口径效率和增益的目的，而且由于电磁波在第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25中的波阻抗都等于自由空间的波阻抗，即第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25的端口宽度a都满足条件也就是端口宽度a等于自由空间波长λ乘以介质相对介电常数ε的平方根再除于介质相对介电常数ε减1的平方根的两倍，因此天线口径面的反射就小。

在工艺上，相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线既可以采用三维树脂封装工艺，也可以采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺实现。其中金属化过孔3和金属化过孔侧壁11可以是空心金属通孔也可以是实心金属孔，也可以是连续的金属化壁，金属通孔的形状可以是圆形，也可以是方形或者其他形状的。

在结构上，由于要满足波阻抗相等条件，介质填充波导的端口宽度是一定的，因而天线口径面20的宽度就不能任意设定，因为要保持介质填充波导在端口的波阻抗等于自由空间的波阻抗，介质基板4的介电常数一定，则介质填充波导的端口宽度也一定，因此天线口径面12处的介质填充波导数量增加一倍，天线的口径面12宽度也要增加一倍。依据同样的思路，可以再加四条金属化过孔阵列把第一介质填充波导22、第二介质填充波导23、第三介质填充波导24和第四介质填充波导25分成八个介质填充波导，并使得通过这八个介质填充波导到达天线口径面12上的电磁波相位和功率一样、且端口波阻抗都等于自由空间的波阻抗，这样不仅天线的反射小，而且同时口径面12上的幅度分布更为均匀，但天线口径面12的总宽度要增加一倍。由于越靠近天线的金属化过孔侧壁11，电磁波到达天线口径面12的路程越远，因此相对于离金属化过孔侧壁11较远的介质填充波导，离金属化过孔侧壁11较近的介质填充波导的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。天线中间金属化过孔阵列17、左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，这些多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线；中间金属化过孔阵列17、左边金属化过孔阵列18和右边金属化过孔阵列19中的头端部分和尾端部分的形状可以是直线、折线、指数线或其它曲线。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (5)

1.一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于该天线包括设置在介质基板(4)上的金属化垂直过孔馈线(1)、基片集成波导喇叭天线(2)和内嵌金属化过孔(3)，介质基板(4)在三维封装(5)的最上面；所述金属化垂直过孔馈线(1)与三维封装(5)的内部电路(8)相连；基片集成波导喇叭天线(2)由位于介质基板(4)一面的底面金属平面(6)、位于介质基板(4)另一面的顶面金属平面(9)和穿过介质基板(4)连接底面金属平面(6)、顶面金属平面(9)的金属化过孔喇叭侧壁(11)组成；基片集成波导喇叭天线(2)由窄截面波导(13)、喇叭形波导(14)和宽截面波导(15)串接构成；窄截面波导(13)的一端是短路面(16)，窄截面波导(13)的另一端与喇叭形波导(14)相连，喇叭形波导(14)的一端与窄截面波导(13)相连，喇叭形波导(14)的另一端与宽截面波导(15)相连，宽截面波导(15)的另一端是天线口径面(12)；基片集成波导喇叭天线(2)中内嵌金属化过孔(3)连接底面金属平面(6)和顶面金属平面(9)，并构成中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)；中间金属化过孔阵列(17)位于基片集成波导喇叭天线(2)的两个侧壁(11)中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线(2)分为左右对称的左边介质填充波导(20)和右边介质填充波导(21)；左边金属化过孔阵列(18)把左边介质填充波导(20)分成第一介质填充波导(22)和第二介质填充波导(23)，右边金属化过孔阵列(19)把右边的介质填充波导(21)分成第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)；

所述的中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成；中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)中的头端部分或者尾端部分的形状是直线、或折线或指数线；中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)中的多边形是三角形、或四边形、或五边形或其它边数大于五的多边形；中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面(16)方向，中间金属化过孔阵列(17)、左边金属化过孔阵列(18)和右边金属化过孔阵列(19)的尾端在天线口径面(12)上；

选择左边金属化过孔阵列(18)中头端部分或多边形在左边介质填充波导(20)中的位置，使得通过第一介质填充波导(22)和第二介质填充波导(23)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(12)上辐射；

选择右边金属化过孔阵列(19)中头端部分或多边形在右边介质填充波导(21)中的位置，使得通过第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(12)上辐射。

2.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的金属化垂直过孔馈线(1)的一端穿过介质基板(4)底面金属平面(6)上的圆孔(7)与三维封装(5)的内部电路(8)相连，其另一端顶端有个圆形焊盘(10)，金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘(10)在介质基板(4)的顶面金属平面(9)的圆孔中心，因此金属化垂直过孔馈线顶端圆形焊盘(10)与介质基板(4)的顶面金属平面(9)没有直接的电接触。

3.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的左边介质填充波导(20)和右边介质填充波导(21)的宽度均要保证其主模可以左边介质填充波导(20)和右边介质填充波导(21)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的第一介质填充波导(22)、第二介质填充波导(23)、第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)的宽度均要保证其主模可以在第一介质填充波导(22)、第二介质填充波导(23)、第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)中传输而不被截止。

5.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的第一介质填充波导(22)、第二介质填充波导(23)、第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)的一端均朝着喇叭天线窄截面波导的短路面(16)方向，其另一端均在天线口径面(12)上，并且第一介质填充波导(22)、第二介质填充波导(23)、第三介质填充波导(24)和第四介质填充波导(25)在天线口径面(12)上端口的宽度一样，而且端口的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。