CN103022680B - 内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线 - Google Patents

Abstract

内嵌金属化过孔相位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)构成的过孔阵列(16)在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(17)，介质填充波导(17)的一个端口朝着窄截面波导(13)的短路面(15)方向，另一个端口(18)伸向喇叭天线的口径面(12)，但不到天线口径面(12)上。该天线可以提高增益。

Description

内嵌金属化过孔相位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，尤其是一种内嵌金属化过孔相位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。目前已有采用介质加载、介质棱镜等方法，矫正喇叭口径场的相位，但是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内嵌金属化过孔相位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矫正天线口径面上电磁波的相位不一致、同时减少口径面零场区的数量，提高天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的内嵌金属化过孔相位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，并构成金属化过孔阵列；金属化过孔阵列与金属化过孔喇叭侧壁在喇叭天线中形成多个介质填充波导。

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和喇叭形波导串接构成；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是天线口径面。

介质填充波导的一个端口朝着窄截面波导的短路面的方向，介质填充波导的另一个端口都平起并伸向喇叭天线的口径面方向，但其位置不到天线口径面上。

介质填充波导的宽度要保证其主模可以在介质填充波导(17)中传输而不被截止。

金属化过孔线阵中，调整相邻两列金属化过孔线阵之间的距离、或者调整一列金属化过孔线阵与基片集成波导喇叭天线(2)侧壁金属化过孔之间的距离，能够改变介质填充波导的宽度，进而调整在该介质填充波导(17)中电磁波传播的相速，使得到达介质填充波导端口电磁波的相位分布更均匀。

金属化过孔线阵中，改变一列或者多列内嵌金属化过孔线阵的长度能够改变相应介质填充波导的长度，进而使得到达介质填充波导端口电磁波的相位分布更均匀。

金属化过孔线阵的形状可以是直线、折线或其它曲线。

金属化过孔线阵中相邻的两个金属化过孔的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔线阵(16)能够等效为电壁。

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(11)能够等效为电壁。

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，主模传播的相速越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模传播的相速越高。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，遇到一列或者数列金属化过孔阵列，就分成两路或者多路，进入介质填充波导传播，再通过介质填充波导靠近基片集成波导喇叭天线口径面的端口到达天线的口径面；在靠近天线口径面上的不同介质填充波导的端口的电磁波，是通过不同介质填充波导到达的，而且各路经过的路径长度有差异，到达天线口径面的边缘的电磁波所经过的路程较远，但经过的介质填充波导的宽度较窄，电磁波的相速较快；而到达天线口径面中心附近的电磁波所经过路程较近，但经过的介质填充波导的宽度较宽，电磁波的相速较慢。这样到达靠近天线口径面各个端口的电磁波的相位就可以保持一致，进而在天线口径面各处的相位也保持一致，就达到提高天线增益的目的。另外由于口径面上除喇叭侧壁是零场区外，口径面的其它区域没有零场区，这样口径面的场强分布也相对更均匀。同理也可以按照需要在天线的口径面附近实现特定的相位分布。

有益效果：本发明内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线的有益效果是，在三维封装的表面矫正了天线口径面上电磁波的相位不一致、还避免在天线口径面上出现较多的零场区，从而提高了天线的口径效率和增益。

附图说明

图1为内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线整体封装结构示意图。

图2为内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线正面结构示意图。

图3为内嵌金属化过孔相位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、窄截面波导的短路面15、金属化过孔阵列16、介质填充波导17和介质填充波导的端口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：内嵌金属化过孔相位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和喇叭形波导14两部分；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15，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构成一列或数列金属化过孔线阵16；相邻两列金属化过孔线阵16、或者一列金属化过孔线阵16与基片集成波导喇叭的一个侧壁11，与底面金属平面6和顶面金属平面9构成宽度恒定或者宽度变化的介质填充波导17，这些介质填充波导17的一个端口在基片集成波导喇叭天线2内朝着喇叭天线的窄截面波导13的短路面15的方向，另一个端口18伸向基片集成波导喇叭天线的口径面12，但不到天线口径面12上，所有介质填充波导17靠近天线口径面12的端口18平齐，这些端口18宽度的相等或者不等。

在介质填充波导17中，电磁波主模的传播相速与介质填充波导13的宽度有关，介质填充波导17的宽度越宽，主模传播的相速越低；反之，介质填充波导17的宽度越窄，主模传播的相速越高。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，遇到一列或中数列金属化过孔线阵16，就分成两路或者多路，进入介质填充波导17传播，再通过介质填充波导17靠近基片集成波导喇叭天线口径面12的端口18到达天线的口径面12；在靠近天线口径面12上的不同介质填充波导17的端口18的电磁波，是通过不同介质填充波导17到达的，而且各路经过的路径长度有差异，到达天线口径面12的边缘的电磁波所经过的路程较远，而到达天线口径面12中心附近的电磁波所经过路程较近，但到达天线口径面12中心附近的电磁波所经过介质填充波导17的宽度比到达口径面12的边缘的电磁波所经过的介质填充波导17的宽度要宽，其相速相对较慢，这样口径面12的边缘的电磁波的平均相速比口径面12中心附近的电磁波的平均相速要快，这样到达靠近天线口径面12各个端口18的电磁波的相位就可以保持一致，进而在天线口径面12各处的相位也保持一致，就达到提高天线增益的目的。另外由于天线口径面12上除喇叭侧壁是零场区外，天线口径面12的其它区域没有零场区，这样天线口径面12的场强分布也相对更均匀。同理也可以按照需要在天线的口径面12附近实现特定的相位分布。

在工艺上，内嵌金属化过孔相位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，依据同样的原理，可以再增加金属化过孔阵列16数量把天线2分成更多的介质填充波导17，并使得通过这些介质填充波导17的电磁波同相到达介质填充波导的端口18再到达天线口径面12，这样天线口径面12上的相位分布更为均匀，而且增加介质填充波导17的数量并不一定要求同时增加天线口径面12的宽度，只要保证介质填充波导17能够传输主模就可以。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17，离金属化过孔侧壁11较近的介质填充波导17的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。金属化过孔阵列16排列成的线形可以是直线、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 (5)

1.一种内嵌金属化过孔相位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)和喇叭形波导(14)串接构成；窄截面波导(13)的一端是短路面(15)，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)，并构成金属化过孔阵列(16)；金属化过孔阵列(16)与金属化过孔喇叭侧壁(11)在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(17)；

所述的金属化过孔线阵(16)的形状是曲线；

所述的介质填充波导(17)的一个端口朝着窄截面波导(13)的短路面(15)的方向，介质填充波导(17)的另一个端口(18)都平起并伸向喇叭天线的口径面(12)方向，但其位置不到天线口径面(12)上；

所述的金属化过孔线阵(16)中，调整相邻两列金属化过孔线阵(16)之间的距离、或者调整一列金属化过孔线阵(16)与基片集成波导喇叭天线(2)侧壁金属化过孔(11)之间的距离，能够改变介质填充波导(17)的宽度，进而调整在该介质填充波导(17)中电磁波传播的相速，使得到达介质填充波导(17)端口(18)电磁波的相位分布更均匀；

所述的金属化过孔线阵(16)中，改变一列或者多列内嵌金属化过孔线阵(16)的长度能够改变相应介质填充波导(17)的长度，进而使得到达介质填充波导(17)端口(18)电磁波的相位分布更均匀。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位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)和底面金属平面(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所述的一种内嵌金属化过孔相位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(17)的宽度要保证其主模可以在介质填充波导(17)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的金属化过孔线阵(16)中相邻的两个金属化过孔(3)的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔线阵(16)能够等效为电壁。

5.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的金属化过孔喇叭侧壁(11)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(11)能够等效为电壁。