CN104779445A - 缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线 - Google Patents

Abstract

缝隙内嵌相位幅度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)上的中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)，在喇叭天线(2)中形成四个子喇叭，这四个子喇叭的一端都朝天线窄截面波导短路面(15)方向，另一端位置靠近但不到天线口径面(12)。该天线可以提高天线增益。

Description

缝隙内嵌相位幅度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，尤其是一种缝隙内嵌相位幅度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，；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缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，在该天线上下两个平行的金属面上，有多条缝隙用以矫正天线口径面上电磁波的相位不一致、幅度的不均匀，同时避免口径面缝隙引起的场强不均匀、增加有效辐射面积，提高天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的缝隙内嵌相位幅度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；底面金属平面和顶面金属平面有多条缝隙，缝隙的长度超过一个波长，并构成中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙；中间缝隙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左边子喇叭和右边子喇叭；左边缝隙把左边子喇叭分成第一子喇叭和第二子喇叭，右边缝隙把右边的子喇叭分成第三子喇叭和第四子喇叭；第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭的一个端口都朝着天线窄截面波导的短路面方向，其另一端口靠近但不到天线口径面；

所述的中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成；中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙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；中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙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；中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面方向，中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙的尾端靠近但不到天线口径面；

所述的左边子喇叭和右边子喇叭的宽度均要保证电磁波可以在左边子喇叭和右边子喇叭中传输而不被截止；

所述的第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭的宽度均要保证电磁波可以在第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭中传输而不被截止；

选择中间缝隙中多边形顶点的位置和选择左边缝隙中头端部分或多边形在左边子喇叭中的位置，可使得通过第一子喇叭和第二子喇叭中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上；

选择中间缝隙中多边形顶点的位置和选择右边缝隙中头端部分或多边形在右边子喇叭中的位置，可使得通过第三子喇叭和第四子喇叭中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上；

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。

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，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之间有一个圆环形槽，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。

所述的基片集成波导喇叭天线由窄截面波导、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。

缝隙离天线口径面的距离约为半个波长。

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。

在子喇叭中，电磁波的传播相速与子喇叭的宽度有关，子喇叭的宽度越宽，主模的传播相速就越低；反之，子喇叭的宽度越窄，主模的传播相速就越高。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，遇到中间的缝隙，就分成功率相等的两路分别进入左右两个子喇叭传输。左右两个子喇叭完全对称，以左边的子喇叭为例说明。当电磁波进入左边的子喇叭传输后一段距离后，将遇到一个缝隙，再被分成两路通过子喇叭向口径面传输；调整中间缝隙中多边形顶点的位置、调整左边的子喇叭该缝隙头端部分的位置以及缝隙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和相对功率，进而调整通过两个子喇叭传输的电磁波在天线口径面上的相对相位和相对幅度；如果这两个子喇叭在天线口径面附近的端口宽度相等，调整中间缝隙中多边形顶点的位置、调整在左边子喇叭中左边缝隙的头端及多边形顶点的位置，可以使得通过两个子喇叭传输的电磁波的功率相等，同时还使得这两路电磁波同相到达天线的口径面；电磁波在右边的子喇叭中传输也是同样的情况。以上述方式就可以控制在天线口径面上电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面附近的四个子喇叭的端口宽度相等，并调整缝隙的头端部分及多边形顶点的位置使得通过这四个子喇叭传输电磁波的同功率同相到达天线口径面，就可以使得在天线口径面上的场强相位和幅度分布均一致，这样就可以提高天线的口径效率和增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面上实现特定的场强幅度和相位分布。

有益效果：本发明缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线的有益效果是，可以按照需要调整天线口径面上的相位和幅度分布，可以提高天线口径面上的相位和幅度分布的一致性，避免了缝隙引起的幅度不均匀，从而提高了天线的增益和口径效率。

附图说明

图1为缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线的三维封装整体结构示意图。

图2为缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线正面结构示意图。

图3为缝隙内嵌相位幅度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、中间缝隙16、左边缝隙17、右边缝隙18、左边子喇叭19、右边子喇叭20、第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24。

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：缝隙内嵌相位幅度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；底面金属平面6和顶面金属平面9有多条缝隙3，缝隙3的长度超过一个波长，并构成中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18；中间缝隙16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子喇叭19和右边子喇叭20；左边缝隙17把左边子喇叭19分成第一子喇叭21和第二子喇叭22，右边缝隙18把右边的子喇叭20分成第三子喇叭23和第四子喇叭24；第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24的一个端口都朝着天线窄截面波导13的短路面15方向，其另一端口靠近但不到天线口径面12；

所述的中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成；中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18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；中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18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；中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面15方向，中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18的尾端靠近但不到天线口径面12；

所述的左边子喇叭19和右边子喇叭20的宽度均要保证电磁波可以在左边子喇叭19和右边子喇叭20中传输而不被截止；

所述的第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24的宽度均要保证电磁波可以在第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24中传输而不被截止；

选择中间缝隙16中多边形顶点的位置和选择左边缝隙17中头端部分或多边形在左边子喇叭19中的位置，可使得通过第一子喇叭21和第二子喇叭22中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面12上；

选择中间缝隙16中多边形顶点的位置和选择右边缝隙18中头端部分或多边形在右边子喇叭20中的位置，可使得通过第三子喇叭23和第四子喇叭24中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面12上；

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。

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，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之间有一个圆环形槽，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。

所述的基片集成波导喇叭天线2由窄截面波导13、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。

缝隙3离天线口径面12的距离约为半个波长。

在子喇叭中，电磁波的传播的相速与子喇叭的宽度有关，子喇叭的宽度越宽，主模的传输相速就越低；反之，子喇叭宽度越窄，主模的传输相速就越高。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，遇到中间缝隙16，由于对称性，电磁波就分成功率相等的两路分别进入左边子喇叭19和右边子喇叭20传输。左边子喇叭19和右边子喇叭20完全对称，以左边的子喇叭19为例说明，当电磁波进入左边子喇叭19传输后一段距离后，将遇到左边缝隙17，再被分成两路分别通过第一子喇叭21和第二子喇叭22向天线口径面12的方向传输，调整中间缝隙16中多边形顶点的位置、调整左边子喇叭19中左边缝隙17的头端部分的位置以及左边缝隙17中多边形顶点的位置，可以调整通过第一子喇叭21和第二子喇叭22中传输的电磁波的相对相速和相对功率，进而调整通过第一子喇叭21和第二子喇叭22传输的电磁波在口径面12上的相对相位和相对幅度；如果在天线口径面12附近的第一子喇叭21和第二子喇叭22的端口宽度相等，调整中间缝隙16中多边形顶点的位置、调整在左边子喇叭19中左边缝隙17的头端部分及多边形顶点的位置，可以使得通过第一子喇叭21和第二子喇叭22传输的电磁波的功率相等，并使得这两路电磁波同相到达天线的口径面12，这样在天线口径面12附近的第一子喇叭21和第二子喇叭22端口上的场强幅度分布和相位都一样；电磁波在右边子喇叭20中传输也是同样的情况。以上述方式就可以控制在天线口径面12上的电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面12附近的第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24的端口宽度都相等，并调整中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18的头端及多边形顶点的位置使得通过第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24传输电磁波的同功率同相到达天线口径面12，就可以使得在天线口径面12附近的第一子喇叭21、第二子喇叭22、第三子喇叭23和第四子喇叭24的四个端口上的场强相位和幅度分布均一致，这样就达到提高天线口径效率和增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面12上实现特定的场强幅度和相位分布。

另外如果缝隙3到口径面12上，由于缝隙3内部的场强相对缝隙3两边的场强要小一些，特别是缝隙3比较宽时更是如此，这样导致天线口径面12上缝隙所在的区域场强比较小，使得场强发布不均匀；但缝隙3离口径面12有一定距离，就可以避免上述问题，这样口径面12的场强分布也相对更均匀以及天线的有效辐射面积也变大。

在工艺上，缝隙内嵌相位幅度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。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，可以再加四条缝隙把四个子喇叭分成八个子喇叭，并使得通过这八个子喇叭电磁波同相同幅度到达天线口径面12，这样同时天线口径面12上的幅度分布更为均匀，而且增加天线口径面12上的子喇叭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较远的子喇叭，离金属化过孔侧壁11较近的子喇叭的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。天线中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18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；中间缝隙16、左边缝隙17和右边缝隙18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 (9)

1.一种缝隙内嵌相位幅度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；底面金属平面(6)和顶面金属平面(9)有多条缝隙(3)，缝隙(3)的长度超过一个波长，并构成中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)；中间缝隙(16)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子喇叭(19)和右边子喇叭(20)；左边缝隙(17)把左边子喇叭(19)分成第一子喇叭(21)和第二子喇叭(22)，右边缝隙(18)把右边的子喇叭(20)分成第三子喇叭(23)和第四子喇叭(24)；第一子喇叭(21)、第二子喇叭(22)、第三子喇叭(23)和第四子喇叭(24)的一个端口都朝着天线窄截面波导(13)的短路面(15)方向，其另一端口靠近但不到天线口径面(12)；

所述的中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成；中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)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；中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)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；中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)的头端都朝着喇叭天线窄截面波导的短路面(15)方向，中间缝隙(16)、左边缝隙(17)和右边缝隙(18)的尾端靠近但不到天线口径面(12)。

2.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的左边子喇叭(19)和右边子喇叭(20)，其宽度均要保证电磁波可以在左边子喇叭(19)和右边子喇叭(20)中传输而不被截止。

3.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的第一子喇叭(21)、第二子喇叭(22)、第三子喇叭(23)和第四子喇叭(24)，其宽度均要保证电磁波可以在第一子喇叭(21)、第二子喇叭(22)、第三子喇叭(23)和第四子喇叭(24)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的中间缝隙(16)中，选择多边形顶点的位置和选择左边缝隙(17)中头端部分或多边形在左边子喇叭(19)中的位置，可使得通过第一子喇叭(21)和第二子喇叭(22)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(12)上。

5.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的中间缝隙(16)中，选择多边形顶点的位置和选择右边缝隙(18)中头端部分或多边形在右边子喇叭(20)中的位置，可使得通过第三子喇叭(23)和第四子喇叭(24)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(12)上。

6.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度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。

7.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度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，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)之间有一个圆环形槽，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。

8.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的基片集成波导喇叭天线(2)由窄截面波导(13)、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)。

9.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的三维封装表面天线，其特征在于所述的缝隙(3)离天线口径面(12)的距离约为半个波长。