CN104752836A - 缝隙相位校准的三维封装表面天线 - Google Patents

Abstract

缝隙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)和缝隙(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，底面金属平面(6)和顶面金属平面(9)均有数条缝隙(3)，缝隙(3)在基片集成波导喇叭(2)内部形成多个子喇叭(16)；缝隙(3)的一端朝着短路面(15)的方向，缝隙(3)的另一端位于天线口径面(12)上。天线中电磁波能以相同相位到达天线口径面(12)。该天线可以提高口径效率和增益。

Description

缝隙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，尤其是一种缝隙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到一个封装内，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，矫正喇叭口径面相位的不同步，但是这些相位校准结构都在喇叭天线的口径面外面，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缝隙相位校准的三维封装表面天线，在该喇叭天线上下两个平行的金属面上，有多条缝隙以矫正天线口径面上电磁波的相位不一致，提高三维封装表面天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的缝隙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上的金属化垂直过孔馈线、基片集成波导喇叭天线和数条缝隙，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，喇叭形波导的一端是天线口径面；基片集成波导喇叭天线中的底面金属平面和顶面金属平面均有数条缝隙，缝隙的长度大于一个波长，这些缝隙在基片集成波导喇叭的内部形成多个子喇叭；缝隙的一端朝着窄截面波导的短路面的方向，缝隙的另一端位于天线口径面上；

所述的缝隙的形状是曲线，不同缝隙的宽度可以是不同的，每条缝隙的宽度可以是不均匀的；

所述的一条或数条缝隙中，调整相邻两条缝隙之间的距离、或者调整一条缝隙与基片集成波导喇叭天线()侧壁金属化过孔之间的距离、或者改变一条或者多条缝隙的长度，能够使得到达天线的口径面上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面上电磁波相位按照需要分布；调节某条缝隙的宽度，可以改变该条缝隙两边的子喇叭中电磁波的相速，能够使得到达天线的口径面上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面上电磁波相位按照需要分布。

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。

所述的相邻两条缝隙之间的距离要保证电磁波可以传输而不被截止。

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。

在基片集成波导喇叭天线的底面金属平面上的缝隙与顶面金属平面上的缝隙一一对应，在基片集成波导喇叭天线底面金属平面上的缝隙与顶面金属平面上的缝隙的形状一样、数量相等，底面金属平面上的缝隙在底面金属平面上的位置与顶面金属平面上的缝隙在顶面金属平面上的位置一样。

在基片集成波导喇叭的底面金属平面和顶面金属平面上的缝隙，把基片集成波导喇叭分成数个子喇叭。在子喇叭中电磁波的传播相速都与子喇叭的宽度有关，子喇叭的宽度越宽，其中电磁波的传播相速就越低；反之，子喇叭的宽度越窄，电磁波的传播相速就越高。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，遇到一条或者数条缝隙，就分成两路或者多路，进入子喇叭传播，再通过子喇叭到达天线的口径面；在天线口径面上的电磁波，是通过不同子喇叭到达的，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，但经过的子喇叭的宽度较窄，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，但经过的子喇叭的宽度较宽，电磁波的相速较慢。这样通过不同子喇叭到达天线口径面电磁波的相位保持一致，就达到提高天线增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面实现特定的相位分布。

有益效果：本发明缝隙相位校准的三维封装表面天线的有益效果是，可以按照需要在天线的口径面实现特定的相位分布，也可提高天线口径面上电磁波的相位的一致性，从而提高了三维封装表面天线的口径效率和增益。

附图说明

图1为缝隙相位校准的三维封装表面天线的三维封装整体结构图。

图2为缝隙相位校准的三维封装表面天线正面结构示意图。

图3为缝隙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、缝隙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和子喇叭16。

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：一种缝隙相位校准的三维封装表面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和数条缝隙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的一端是天线口径面12；基片集成波导喇叭天线2中的底面金属平面6和顶面金属平面9均有数条缝隙3，缝隙3的长度大于一个波长，这些缝隙3在基片集成波导喇叭2的内部形成多个子喇叭16；缝隙3的一端朝着窄截面波导13的短路面15的方向，缝隙3的另一端位于天线口径面12上；缝隙3的形状是曲线，不同缝隙3的宽度可以是不同的，每条缝隙3的宽度可以是不均匀的；一条或数条缝隙3中，调整相邻两条缝隙3之间的距离、或者调整一条缝隙3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、或者改变一条或者多条缝隙3的长度，能够使得到达天线的口径面12上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面12上电磁波相位按照需要分布；调节某条缝隙3的宽度，可以改变该条缝隙3两边的子喇叭16中电磁波的相速，能够使得到达天线的口径面12上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面12上电磁波相位按照需要分布。

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。

相邻两条缝隙3之间的距离要保证其主模可以传输而不被截止。

在基片集成波导喇叭天线2的底面金属平面6和顶面金属平面9上的缝隙3，在基片集成波导喇叭天线2的内部形成数个子喇叭16。在子喇叭16中电磁波的传播相速都与子喇叭16的宽度有关，子喇叭16的宽度越宽，其中电磁波的传播相速就越低；反之，子喇叭16的宽度越窄，电磁波的传播相速就越高。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，在向天线的口径面12方向传播一段距离后，遇到一条或者数条缝隙3，就分成两路或者多路，进入子喇叭16传播，再通过子喇叭16到达天线的口径面12；在天线口径面12上的电磁波，是通过不同子喇叭16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，但经过的子喇叭16的宽度较窄，电磁波的相速较快；而到达天线口径面12中心附近的电磁波所经过路程较近，但经过的子喇叭16的宽度较宽，电磁波的相速较慢。这样通过不同子喇叭16到达天线口径面12电磁波的相位保持一致，就达到提高天线增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面12实现特定的相位分布。

在基片集成波导喇叭天线2的底面金属平面6上的缝隙3与顶面金属平面9上的缝隙3一一对应，在基片集成波导喇叭天线底面金属平面6上的缝隙3与顶面金属平面9上的缝隙3的形状一样、数量相等，底面金属平面6上的缝隙3在底面金属平面6上的位置与顶面金属平面9上的缝隙3在顶面金属平面9上的位置一样。

在工艺上，缝隙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，可以再增加缝隙3数量把天线2分成更多的子喇叭16，并使得通过这些子喇叭16的电磁波同相到达天线口径面12，这样天线口径面12上的相位分布更为均匀，而且增加子喇叭16的数量并不一定要求同时增加天线口径面12的宽度，只要保证子喇叭16能够传输电磁波就可以。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较远的子喇叭16，离金属化过孔侧壁11较近的子喇叭16的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。缝隙3排列成的线形可以是直线、折线、指数线和其它曲线等。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (3)

1.一种缝隙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)和数条缝隙(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)的一端是天线口径面(12)；基片集成波导喇叭天线(2)中的底面金属平面(6)和顶面金属平面(9)均有数条缝隙(3)，缝隙(3)的长度大于一个波长，这些缝隙(3)在基片集成波导喇叭天线(2)的内部形成多个子喇叭(16)；缝隙(3)的一端朝着窄截面波导(13)的短路面(15)的方向，缝隙(3)的另一端位于天线口径面(12)上；

所述的缝隙(3)的形状是曲线，不同缝隙(3)的宽度可以是不同的，每条缝隙(3)的宽度可以是不均匀的；

所述的一条或数条缝隙(3)中，调整相邻两条缝隙(3)之间的距离、或者调整一条缝隙(3)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、或者改变一条或者多条缝隙(3)的长度，能够使得到达天线的口径面(12)上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面(12)上电磁波相位按照需要分布；调节某条缝隙(3)的宽度，可以改变该条缝隙(3)两边的子喇叭(16)中电磁波的相速，能够使得到达天线的口径面(12)上电磁波相位分布更均匀，或者使得到达天线的口径面(12)上电磁波相位按照需要分布。

2.根据权利要求1所述的一种缝隙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)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所述的一种缝隙相位校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的相邻两条缝隙(3)之间的距离要保证电磁波可以传输而不被截止。