CN103022678B - 相位阻抗校准的三维封装表面天线 - Google Patents

Abstract

相位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)的最上面，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)构成的多个金属化过孔阵列(17)在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(18)，电磁波通过介质填充波导(18)同相到达天线口径面(12)，且介质填充波导(18)在天线口径面(12)端口的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天线回波损耗。

Description

相位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。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阻抗校准的三维封装表面天线，该天线内部嵌有金属化过孔阵列可以改善天线口径面上电磁波的相位均匀性以及避免天线在介质与自由空间分界面上的反射，提高三维封装表面天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的相位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，并构成多个金属化过孔阵列；金属化过孔阵列在喇叭天线中形成多个介质填充波导，介质填充波导在天线口径面上端口的波阻抗等于自由空间波阻抗。

所述的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。

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，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，金属化过孔阵列的尾端在天线口径面上。

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、折线或者其它曲线。

金属化过孔阵列中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它边数大于五的多边形。

介质填充波导的宽度均要保证其主模可以在介质填充波导中传输而不被截止。

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，并且介质填充波导在天线口径面上端口的宽度都一样。

选择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，使得通过介质填充波导传输的多路电磁波同相到达天线的口径面上。

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，在朝天线口径面方向传播一段距离后，遇到金属化过孔阵列，就分成多路分别进入各个介质填充波导传输，再经过这些介质填充波导到达天线的口径面。调整金属化过孔阵列头端离天线窄截面波导短路面的距离，可以改变介质填充波导的长度；调整金属化过孔阵列中多边形顶点的位置可以改变由该金属化过孔阵列隔开的相邻两个介质填充波导中电磁波传输的相对相速；这样调整金属化过孔阵列头端和多边形顶点的位置，可以使得天线中的电磁波通过各个介质填充波导可以同相到达天线的口径面，这样天线的口径效率和天线的增益就高；而且由于介质填充波导在天线口径面上端口的波阻抗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，因此这样天线口径面的反射就小。

有益效果：本发明相位阻抗校准的三维封装表面天线的有益效果是，提高了天线口径面上电磁波的相位一致性、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，从而提高了三维封装表面天线的增益和减小了天线的回波损耗。

附图说明

图1为相位阻抗校准的三维封装表面天线的三维封装整体结构图。

图2为相位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、金属化过孔阵列17和介质填充波导18。

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1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7、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7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7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7和顶面金属平面9，这些内嵌的金属化过孔3构成多个金属化过孔阵列17；金属化过孔阵列17形状都是一段头端部分接多边形再接一段尾端部分，金属化过孔阵列17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，金属化过孔阵列17的尾端在喇叭天线2的口径面12上；金属化过孔阵列17在喇叭天线2中形成多个介质填充波导18；并且设定介质填充波导18在天线宽截面波导15的宽度使得这些介质填充波导18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18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18的宽度有关，介质填充波导18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18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，遇到金属化过孔阵列17，电磁波就分成多路分别进入各个介质填充波导18中向着天线口径面12的方向传输，调整金属化过孔阵列17中多边形顶点的位置、头端的位置，可以保证通过介质填充波导18传输的电磁波同相地到达天线的口径面12；这样在天线的口径面12各个介质填充波导宽度相等的端口，电磁波的相位和都一致，因而达到提高天线的口径效率和增益的目的，而且由于介质填充波导18在天线口径面上的各个端口的波阻抗都等于自由空间的波阻抗，即左边介质填充波导19、中间介质填充波导20、右边介质填充波导21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18在天线口径面的端口宽度是一定的，因而天线口径面12的宽度就不能任意设定，因为要保持介质填充波导18在天线口径面上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18的端口宽度也一定，因此如果天线口径面12处的介质填充波导18数量增加一倍，天线的口径面12宽度也要增加一倍。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。天线金属化过孔阵列17中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它边数大于五的多边形，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；金属化过孔阵列17中的头端部分和尾端部分的形状可以是直线、折线、指数线或者其它曲线。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (6)

1.一种相位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)依次串接构成；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)，并构成多个金属化过孔阵列(17)；金属化过孔阵列(17)在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(18)，介质填充波导(18)在天线口径面(12)上端口的波阻抗等于自由空间波阻抗；金属化过孔阵列(17)形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成，金属化过孔阵列(17)的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面(16)方向，金属化过孔阵列(17)的尾端在天线口径面(12)上；选择金属化过孔阵列(17)中头端部分或多边形在介质填充波导(18)中的位置，使得通过介质填充波导(18)传输的多路电磁波同相到达天线的口径面(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种相位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所述的一种相位阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(17)中的头端部分或者尾端部分的形状是直线、或折线。

4.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(17)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。

5.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的介质填充波导(18)的宽度均要保证其主模可以在介质填充波导(18)中传输而不被截止。

6.根据权利要求1所述的一种相位阻抗校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的介质填充波导(18)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，并且介质填充波导(18)在天线口径面(12)上端口的宽度都一样。