CN105609944B - 基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，用于解决现有封装天线体积大和应用灵活性差的技术问题；包括自上而下依次层叠的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板，其中第二介质基板和第三介质基板的中心分别设置有密闭长方体结构的第一空气腔体和第二空气腔体，在这两块介质基板的上表面分别印制有一阶Minkowski分形结构的第一金属贴片和第二金属贴片，在第四介质基板的中心设置有腔体，其四周侧壁上设置有多个纵向的第二金属化通孔，在第三介质基板和第四介质基板的下表面分别印制有第三金属贴片和第四金属贴片。本发明的体积小且应用灵活性强，可用于2.38‑2.59GHz频段内的无线通信。

Description

基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，涉及一种双层微带射频封装天线，具体涉及一种基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，可用于2.38GHz-2.59GHz频段的无线通信。
背景技术
随着无线通信技术的发展，封装天线技术引起了越来越广泛的重视。封装天线技术可将辐射单元及元器件，芯片集成于一体，大幅提高了集成度及系统性能，因此目前在科研及商用领域都成为了研究的热点。
射频封装天线适合于实现介质天线的小型化，通过在天线系统中集成封装腔体，采用系统级封装技术集成多功能芯片及常用元器件，实现射频收发等多种功能。介质层空腔技术和叠层微带天线技术因为其在集成多层结构方面的灵活性，且与封装天线制作工艺有着很强的兼容性，为封装天线技术的实现提供了很大的方便。
微带天线技术以其体积小、重量轻、易与载体共性等特点而广泛应用与蓝牙、WiFi、ZigBee等领域。微带天线是在介质层上下两面分别涂敷金属辐射单元与金属接地板，利用旁馈或背馈对辐射单元进行馈电并激励起电磁场，电磁波通过辐射单元与接地板间的缝隙对外进行辐射。微带天线技术因为其本身特点而广泛用于封装天线领域，但普通微带天线也因为其相对带宽较窄、损耗较大、功率容量较小而限制了其实际应用。
近年来，科研工作者为了在保持封装天线较小体积和较大带宽方面不断创新。目前，主要通过采用曲折结构的辐射单元实现封装天线的小型化，而实现宽频带的方式主要有：
1、增加介质基板的厚度；
2、采用介电常数低或有损耗的介质基板；
3、对馈电电路采用宽带阻抗匹配；
4、采用叠层贴片耦合。
例如，中国专利申请，授权号为CN 103066385 A，名称为“用于系统级封装的LTCC双层微带天线”的发明专利，公开了一种用于系统级封装的LTCC双层微带天线，包括天线覆盖层、上层矩形辐射单元、中间夹层、下层矩形辐射单元、天线衬底层、内部接地板、封装体和外部接地板，用以实现射频芯片的系统级封装和天线系统的宽频带，但因为其介质基板厚度过高而造成整体的体积过大，且因为工作频率严重依赖于其辐射单元物理尺寸，横向面积和纵向高度不可以调整，从而使得应用灵活性偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，用于解决现有的双层微带射频封装天线体积过大、应用灵活性较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，包括第一介质基板1、第二介质基板3、第三介质基板5和第四介质基板7，该四层介质基板1，3，5和7的中心同轴，自上而下依次形成层叠结构；其中在第二介质基板3上表面印制有第一金属贴片2，上方固定有第一介质基板1；在第三介质基板5上表面印制有第二金属贴片4，其下表面印制有第三金属贴片6，这两个金属贴片4和6通过基板上的第一金属化通孔53连接；在第四介质基板7的中心位置设置有上方开口的腔体，其四周侧壁上设置有多个纵向的第二金属化通孔71，在该第四介质基板7的下表面印制有第四金属贴片8；第二介质基板3和第三介质基板5的中心位置分别设置有密闭的第一空气腔体31和第二空气腔体51，用于减小介质基板的局部有效介电常数；第一金属贴片2和第二金属贴片4均采用一阶Minkowski分形结构，用于增加电流的有效路径。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，一阶Minkowski分形结构的四条边上的开槽均为正方形。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第一空气腔体31和第二空气腔体51均采用横切面为正方形的长方体结构。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第三介质基板5上设置有第一金属化通孔53和第三金属化通孔52，分别用于实现第二金属贴片4的短路与馈电。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第三金属贴片6上设置有第一开孔61，该第一开孔61和第三介质基板5上的第三金属化通孔52的横向位置相同。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第四介质基板7上设置有第四金属化通孔72，该第四金属化通孔72和第三介质基板5上的第三金属化通孔52的横向位置相同。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第四介质基板7四周侧壁上设置多个纵向的第二金属化通孔71等距离排列，形成准正方形的环状结构，该准正方形环状结构的金属化通孔阵列与第四金属化通孔72相离。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第四金属贴片8设置有第二开孔81，该第二开孔81和第三介质基板5上的第三金属化通孔52的横向位置相同。
上述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，第一介质基板1、第二介质基板3、第三介质基板5和第四介质基板7均采用材质相同且横切面为正方形的板材，其中三块介质基板1，3和5的边长相同。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明由于在第二介质基板和第三介质基板的中心位置分别设置有密闭的、横切面为正方形的第一空气腔体和第二空气腔体，减小了介质基板的局部有效介电常数，使得封装天线在整体结构和横向尺寸不变的情况下降低了其高度，与现有技术中采用的不带空气腔体结构的中间夹层和天线衬底层相比，有效地减薄了介质基板的厚度，显著地减小了封装天线的体积。
2、本发明的第一金属贴片和第二金属贴片均采用了一阶Minkowski分形结构，其四条边上的正方形开槽增加了辐射单元上电流的有效路径，使得封装天线在辐射性能保持不变的前提下减小了辐射单元的实际长度和面积，与现有技术中采用的上层矩形辐射单元和下层矩形辐射单元相比，有效地缩减了辐射单元的尺寸大小，进一步减小了封装天线的体积。
3、本发明由于采用了双层分形金属贴片和双层空气腔体相互组合的方式向外辐射电磁能量，其在同一频段内相互耦合，使得封装天线在体积减小的前提下进一步拓展了天线的阻抗带宽，与现有技术中采用的双层矩形辐射单元的形式相比，提高了辐射效率，且可以通过改变介质基板内部空气腔体的体积对封装天线的面积与高度进行调整，提高了其应用灵活性。
附图说明
图1是本发明的整体结构展开示意图；
图2是本发明的纵向剖面结构展开示意图；
图3是本发明中第一金属贴片的结构示意图；
图4是本发明中第二金属贴片的结构示意图；
图5是本发明中第二介质基板的结构示意图；
图6是本发明中第三介质基板的结构示意图；
图7是本发明中第三金属贴片和第四金属贴片的结构示意图；
图8是本发明中第四介质基板的结构示意图；
图9是本发明的中心频率与反射损耗S11的仿真图；
图10是本发明的E面和H面的增益方向图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一部描述。
参照图1，本发明包括第一介质基板1、第二介质基板3、第三介质基板5和第四介质基板7，该四层介质基板横切面均为正方形且中心同轴，自上而下依次形成层叠结构，分别用于作为封装天线的覆盖层、空气腔中间夹层、空气腔衬底层、封装腔体层；在第二介质基板3和第三层介质基板5的上表面分别印制有采用一阶Minkowski分形结构的金属贴片2和金属贴片4，用于作为封装天线的上层辐射单元和下层辐射单元；在第三介质基板5和第四介质基板7的下表面印制有第三金属贴片6和第四金属贴片8，用于作为封装天线的内部接地板和外部接地板；在第四介质基板7四周侧壁上多个纵向的第二金属化通孔71将第三金属贴片6和第四金属贴片8连接，用于将内部接地板和外部接地板连为一个整体。第三介质基板5上的第一金属化通孔53将第二金属贴片4和第三金属贴片6连接，用于作为下层辐射单元的短路针；第三介质基板5上的第三金属化通孔52和第四介质基板7上的第四金属化通孔72将第二金属贴片4与外部信号相连，用于作为下层辐射单元的同轴馈线。
参照图2，第一介质基板1厚度H1＝0.096mm，第二介质基板3厚度H2＝2.208mm，第三介质基板5厚度H3＝0.96mm，第四介质基板7厚度H4＝2.016mm，第一介质基板1、第二介质基板3和第三介质基板5的边长均为43mm，第四介质基板7的边长为30.3mm；在第二介质基板3中心位置设置有密闭的第一空气腔体31，腔体采用横切面为正方形的长方体结构，厚度为Ha1＝1.632mm，其上表面距第二介质基板3上表面的垂直距离为Da1＝0.288mm，用于改变第二介质基板3的相对介电常数；在第三介质基板5中心位置设置有密闭的第二空气腔体51，腔体采用横切面为正方形的长方体结构，厚度为Ha2＝0.48mm，其上表面距第三介质基板5上表面的垂直距离为Da2＝0.288mm，用于改变第三介质基板5的相对介电常数。
参照图3，一阶Minkowski分形结构的第一金属贴片2的边长为Lp1＝30.2mm，四条边上正方形开槽的边长Lf1＝4.7mm，用于增加上层辐射单元上电流的有效路径，其位于边长L2＝43mm的第二介质基板3的上表面的中心，顶点距第二介质基板3边界的距离为Dp1＝6.4mm。
参照图4，一阶Minkowski分形结构的第二金属贴片4的边长为Lp1＝30.3mm，四条边上正方形开槽的边长Lf1＝6.4mm，用于增加下层辐射单元上电流的有效路径，其位于边长L3＝43mm的第三介质基板5的上表面的中心，顶点距第三介质基板5边界的距离为Dp2＝6.35mm。
参照图5，第二介质基板3中心位置的第一空气腔体31的横切面为正方形，边长La1＝30mm，第一空气腔体31的四个侧面距第二介质基板3边界的距离为Da3＝6.5mm。
参照图6，第三介质基板5中心位置的第二空气腔体51的横切面为正方形，边长La2＝30.2mm，第二空气腔体51的四个侧面距第三介质基板5边界的距离为Da4＝6.4mm；并在距边界最近距离Dh1＝7.5mm，次最近距离Dh2＝8.8mm处对称设置有半径为0.25mm的第三金属化通孔52和第一金属化通孔53。
参照图7，第三金属贴片6和第四金属贴片8均为边长Lg＝43的正方形贴片，在距金属贴片边界最近距离Dh1＝7.5mm，次最近距离Dh2＝8.8mm处设置有半径为0.5mm的第一开孔61或第二开孔81，用于将同轴馈线贯穿内、外接地板。
参照图8，第四介质基板7中心位置的封装腔体由四个边长为Lp＝30.3mm，壁厚为W1＝2mm的侧壁围成，并在其上与第三金属化通孔52相同的横向位置处设置有半径为0.25mm的第四金属化通孔72；四周侧壁上设置有多个垂直等距离排列的第二金属化通孔71，孔间距为1mm，半径为0.25mm，且与第四金属化通孔72保留有6个通孔间距的距离。
第一介质基板1，第二介质基板3、第三介质基板5和第四介质基板7均采用介电常数为7.8，介质损耗正切为0.15％，单层厚度为0.096mm的DuPont951低温共烧陶瓷材料制成；第一金属贴片2、第二金属贴片4、第三金属贴片6和第四金属贴片8均采用银质金属薄膜印制；第一金属化通孔53，第二金属化通孔71、第三金属化通孔52和第四金属化通孔72均通过在孔内灌装银质金属材料形成。
本发明效果可以通过以下仿真进一步说明：
1、仿真内容
采用电磁场仿真软件HFSS_15.0对本发明的反射系数S11和辐射方向进行仿真，其结果如图9和图10所示。
2、仿真结果
参照图9，封装天线的谐振点为2.42GHz，该处的反射系数是-17.91dB，在2.38GHz-2.59GHz频率范围的反射系数小于-10dB，其带宽为210MHz。仿真结果说明了，在封装天线体积减小的情况下，天线的带宽性能依然保持不变。
参照图10，封装天线的E面和H面辐射方向上的最大增益为5.2dB。仿真结果说明了，在封装天线体积减小的情况下，天线的增益性能依然保持不变。
由此可见，本发明利用了双层一阶Minkowski分形结构的辐射单元和双层带有空气腔结构的介质基板互相结合的方式实现了封装天线较小尺寸、较高增益和较大带宽的目标，能满足蓝牙、WiFi、ZigBee等领域在2.38-2.59GHz带宽内的使用要求。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。应当理解的是，对本领域专业技术人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，根据上述说明对形式、细节和参数等加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(3)、第三介质基板(5)和第四介质基板(7)，该四层介质基板(1，3，5，7)的中心同轴，自上而下依次形成层叠结构；其中在第二介质基板(3)上表面印制有第一金属贴片(2)，上方固定有第一介质基板(1)；在第三介质基板(5)上表面印制有第二金属贴片(4)，其下表面印制有第三金属贴片(6)，所述第二金属贴片(4)与第三金属贴片(6)通过第三介质基板(5)上的第一金属化通孔(53)连接；在第四介质基板(7)的中心位置设置有上方开口的腔体，其四周侧壁上设置有多个纵向的第二金属化通孔(71)，在该第四介质基板(7)的下表面印制有第四金属贴片(8)；其特征在于，所述第二介质基板(3)和第三介质基板(5)的中心位置分别设置有密闭的第一空气腔体(31)和第二空气腔体(51)，用于减小介质基板的局部有效介电常数；所述第一金属贴片(2)和第二金属贴片(4)均采用一阶Minkowski分形结构，用于增加电流的有效路径。
2.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述的一阶Minkowski分形结构的四条边上的开槽均为正方形。
3.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第一空气腔体(31)和第二空气腔体(51)均采用横切面为正方形的长方体结构。
4.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第三介质基板(5)上设置有第一金属化通孔(53)和第三金属化通孔(52)，分别用于实现第二金属贴片(4)的短路与馈电。
5.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第三金属贴片(6)上设置有第一开孔(61)，该第一开孔(61)和第三介质基板(5)上的第三金属化通孔(52)的横向位置相同。
6.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第四介质基板(7)上设置有第四金属化通孔(72)，该第四金属化通孔(72)和第三介质基板(5)上的第三金属化通孔(52)的横向位置相同。
7.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第四介质基板(7)四周侧壁上设置多个纵向的第二金属化通孔(71)等距离排列，形成准正方形的环状结构，该准正方形环状结构的金属化通孔阵列与第四金属化通孔(72)相离。
8.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第四金属贴片(8)设置有第二开孔(81)，该第二开孔(81)和第三介质基板(5)上的第三金属化通孔(52)的横向位置相同。
9.根据权利要求1所述的基于空腔结构的双层分形微带射频封装天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)、第二介质基板(3)、第三介质基板(5)和第四介质基板(7)均采用材质相同且横切面为正方形的板材，所述第一介质基板(1)、第二介质基板(3)以及第三介质基板(5)的边长相同。
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