CN110571508B

CN110571508B - 一种宽带集成天线

Info

Publication number: CN110571508B
Application number: CN201910705929.7A
Authority: CN
Inventors: 李洋; 周义; 刘港; 张波
Original assignee: CETC 29 Research Institute
Current assignee: CETC 29 Research Institute
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: CN110571508A

Abstract

本申请涉及无线通信技领域，涉及一种宽带集成天线，以解决现有技术实现宽带特性的集成天线开发成本高，工艺难度大的技术问题。本申请天线包括：模式变换基板，用以通过第一封闭区域，使得从馈电端口馈入的TEM电磁波经过馈电探针后，在耦合缝隙处的场强方向垂直于耦合缝隙长边，并将所述电磁波经耦合缝隙层输出；以及辐射背腔基板，用以将所述电磁波信号，通过第二封闭区域后，经过辐射贴片与第二封闭区域边缘的辐射缝隙处辐射输出；所述耦合缝隙位于模式变换腔和辐射背腔之间的辐射背腔基板底面。

Description

一种宽带集成天线

技术领域

本申请涉及无线通信技领域，具体而言，涉及一种宽带集成天线。

背景技术

毫米波集成天线减小了芯片与天线之间的连接损耗，提高了面积利用率。由于天线尺寸小，常采用CMOS工艺制造，而该工艺使用高介电常数的Si介质材料，导致天线的增益低。以石英为介质基板的毫米波天线，需要多层堆叠或者内部掏腔才能实现宽带特性，而这种工艺成熟度不高，成品率低。

文献《基于LTCC超材料基板的小型化V波段毫米波微带天线设计》(火控雷达技术)，采用同轴馈电的形式，通过微金属周期结构减小了贴片天线体积，而这种周期结构的超材料作用带宽窄，使天线不能满足宽带应用需求。

文献《Stacked Resonator Patch Antenna for Wide Bandwidth THzDetection》(ICUWB 2014)，采用IBM0.13um CMRF工艺制作了多层贴片天线，实现了宽带特性和芯片集成，但开发成本高，工艺难度大，国内无法实现。

发明内容

本申请提供一种宽带集成天线，以解决现有技术实现宽带特性的集成天线开发成本高，工艺难度大的技术问题。

本申请的实施例通过如下方式实现：

一种宽带集成天线包括：模式变换基板，用以通过第一封闭区域，使得从馈电端口馈入的TEM电磁波在耦合缝隙处的场强方向垂直于耦合缝隙长边，并将所述电磁波经耦合缝隙层输出；以及辐射背腔基板，用以将所述电磁波信号，通过第二封闭区域后，经过辐射贴片与第二封闭区域边缘的辐射缝隙处辐射输出；所述耦合缝隙位于模式变换腔和辐射背腔之间的辐射背腔基板底面。有益效果：通过调节模式变换腔体长宽和高度以及馈电探针的位置，实现TEM模电磁波模式转换，使得电磁波在耦合缝隙处的场强方向垂直于耦合缝隙长边，耦合缝隙耦合的能量传递方式具有宽带特性。提出一种模式变换腔的过渡结构和背腔辐射结构，满足了天线的带宽要求，适用于成熟的LTCC工艺或多层PCB工艺，降低了开发成本，具有可靠性高、一致性高等特点。

优选的，所述第二封闭区域沿耦合缝隙长边轴线镜像对称；第一封闭区域和第二封闭区域中心点重合，所述第一封闭区域与第二封闭区域重合区域50％到80％；第一封闭区域是通过第X层模式变换基板上均匀设置P个第一金属通孔形成的封闭区域；第二封闭区域是通过第Y层辐射背腔基板上均匀设置Q个第二金属通孔形成的封闭区域。有益效果：第二金属通孔围成的第二封闭区域用以模拟金属腔体，在微小尺寸情况下更易加工实现，对称的第二封闭区域和耦合缝隙使得天线的辐射方向图具有对称性。

优选的，第X-1层模式变换基板上P个第一金属通孔位置分别对应与第X层变换基板上P个第一金属通孔位置相同，所有第一金属通孔与模式变换基板的地连接；第X层模式变换基板与第1层辐射背腔基板相邻；馈电端口位于第一层模式变换基板下表面的馈电探针同轴性结构。有益效果：P个第一金属通孔与模式变换基板的地连接，将电磁波约束在模式变换腔内，减小信号的泄露，提高隔离度。辐射背腔、模式变换腔和馈电端口自上而下依次排布，在水平平面内占用面积小，有利于组成阵列和大规模集成。

优选的，所述Y层辐射基板在垂直方向形成外表面是倒梯形腔体结构；所述辐射贴片对称设置在第Y层辐射基板上表面；所述辐射贴片与第二封闭区域内边缘形成辐射缝隙。有益效果：Y层辐射基板形成倒金字塔形状，上一层辐射基板完全覆盖下一层辐射基板；这种喇叭状的开口结构，有利于天线向自由空间辐射电磁波。调整贴片尺寸和腔体大小，使辐射背腔和空气阻抗匹配，电磁波从耦合缝隙进入背腔，从贴片与腔体边缘形成的辐射缝隙处向外辐射。

优选的，所述辐射贴片的形状为方形、圆形或其他形状，所述辐射贴片为两个贴片；在所述辐射贴片与第二封闭区域边缘形成辐射缝隙。有益效果：贴片与辐射背腔所围成的边界条件，恰使得在贴片与封闭区域边缘形成的辐射缝隙处具有较高场强，调整贴片形状、大小和位置，可增强辐射缝隙处场强强度，有利于提高辐射效率，提高天线增益。

优选的，所述馈电端口是位于馈电探针外部的同轴结构，所述馈电探针与耦合缝隙长边位置重合；馈电探针是穿过第一层模式变换基板延伸至第S层模式变换基板的金属孔结构，馈电探针未穿过第X层模式变换基板上表面，S大于1且S小于X。有益效果：将本申请的宽带集成天线固定在其他固定装置(例如：芯片输出信号的接口)，使得本申请的宽带天线具备集成能力，天线反射系数小于-10dB的带宽为8％，带内增益大于5dB，适用于毫米波的高速无线通信应用需求。

优选的，所述馈电探针包括金属圆柱和金属帽；所述金属帽位于金属柱顶端，宽带集成天线通过金属圆柱底端固定，馈电端口是位于第一模式变换基板下表面上馈电探针外部的同轴结构或芯片接口。有益效果：使天线和芯片集成为一体，减小传输线长度，降低损耗。所述金属帽位于金属柱顶端，用于调节天线和芯片间的阻抗匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的分层示意图；

图3为本申请实施例提供的回波损耗特性；

图4为本申请实施例提供的E面方向图；

图5为本申请实施例提供的H面方向图。

图标：

1-馈电探针的金属柱2-馈电探针的金属帽

3、4-模式变换腔基板5-第一金属通孔

6-耦合缝隙7、8、9、14、16-地面

10、11-辐射背腔基板12-辐射贴片

13、15-第二金属通孔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

一、相关说明：

垂直方向指的是与模式变换腔基板或辐射背腔基板水平面垂直的方向。

X为大于1的自然数，P为大于4的自然数。

Y为大于1的自然数，Q为大于4的自然数。

金属通孔指的是通孔内表面或内部是金属材质的孔。

耦合缝隙为一个在金属地面上镂空长条形状的区域。

辐射缝隙为一个在辐射贴片和第二封闭区域之间的镂空长条形的区域。

辐射贴片指的是金属材质的贴片，具有调整辐射场强度功能。

二、结构说明：

请参照图1；宽带集成天线依次是通过第1层模式变换基板、第2层模式变换基板、……、第X-1层模式变换基板、第X层模式变换基板、第1层辐射背腔基板、第2层辐射背腔基板、……、第Y-1层辐射背腔基板、第Y层辐射背腔基板自下而上压接形成。

模式变换基板包括介质基底材料以及所述介质基底材料上均匀设置P个金属通孔形成的第一封闭区域；

辐射背腔基板包括介质基底材料、在所述介质基底材料上均匀设置Q个金属通孔形成的第二封闭区域以及在第二封闭区域内设置的辐射贴片。

X层模式变换基板中，每层第一封闭区域尺寸相同，且上下位置重合；

Y层第二封闭区域尺寸依次增大，形成外表面是倒梯形。当然，Y层第二封闭区域尺寸可以不同，只要上一层第二封闭区域完全覆盖下一层第二封闭区域。优选的，Y层辐射背腔基板第二区域呈现倒金字塔的结构。

实施例一：

一种宽带集成天线包括模式变换基板，用以通过第一封闭区域，使得从馈电端口馈入的TEM电磁波在耦合缝隙处的场强方向垂直于耦合缝隙长边，并将所述电磁波经耦合缝隙层输出；以及辐射背腔基板，用以将所述电磁波信号，通过第二封闭区域后，经过辐射贴片与第二封闭区域边缘的辐射缝隙处辐射输出；所述耦合缝隙位于模式变换腔和辐射背腔之间的辐射背腔基板底面。其中第二封闭区域与辐射贴片之间的缝隙宽度是可以调节的。

例如：

1)辐射贴片位于第1层辐射背腔基板上表面；Y层辐射背腔基板第二封闭区域内，除过第二金属通孔及辐射贴片外，其余区域全是介质填充。

2)辐射贴片位于第Y-1层辐射背腔基板上表面；Y层辐射背腔基板第二封闭区域内，除过第二金属通孔及辐射贴片外，其余区域全是介质填充。即第Y层辐射背腔基板除过第二金属通孔外其余区域全是介质填充，避免恶劣环境下的辐射贴片的氧化。

3)辐射贴片位于第Y层辐射背腔基板上表面，Y层辐射背腔基板第二封闭区域内，除过第二金属通孔及辐射贴片外，其余区域全是介质填充。

例如：

图3是天线端口的反射系数曲线，横轴为频率，纵轴为该频率所对应反射系数，反射系数越大，天线效率越低，本申请反射系数小于-10dB所对应的频率带宽为8％。

图4是天线的E面极坐标方向图，在频带内，单元天线增益大于5dB，本申请由于天线辐射背腔结构在E面对称，E面方向图对称性良好

图5是天线的H面极坐标方向图，在频带内，单元天线增益大于5dB，本申请由于天线辐射背腔结构在H面对称，H面方向图对称性良好；

其中，s-parameters含义为s参数。magnitude in db含义为幅度值以dB显示。farfield realized gain abs含义为远场方向图的实际增益。f0为中心频率。fmax为频率最大值。fmin为频率最小值。theta/degree vs.db为随theta角度变化的dB值。phi是phi角度。theta和phi是球坐标系的基。

实施例二：参照图2，基于实施例一，所述第二封闭区域沿耦合缝隙长边轴线镜像对称；第一封闭区域和第二封闭区域中心点重合，所述第一封闭区域与第二封闭区域重合区域50％到80％；第一封闭区域是通过第X层模式变换基板上均匀设置P个第一金属通孔形成的封闭区域；第二封闭区域是通过第Y层辐射背腔基板上均匀设置Q个第二金属通孔形成的封闭区域。

实施例三：基于实施例一或二，第X-1层模式变换基板上P个第一金属通孔位置分别对应与第X层变换基板上P个第一金属通孔位置相同，所有第一金属通孔与模式变换基板的地连接；第X层模式变换基板与第1层辐射背腔基板相邻；馈电端口位于第一层模式变换基板下表面的馈电探针同轴性结构。

实施例四：基于实施例一到三之一，所述Y层辐射基板在垂直方向形成外表面是倒梯形腔体结构；所述辐射贴片对称设置在第Y层辐射基板上表面；Q个第二金属通孔穿过第一层辐射基板下表面及第Y层辐射基板的上表面；上一层辐射基板第二封闭区域完全覆盖下一层辐射基板第二封闭区域；所述辐射贴片与第二封闭区域内边缘形成辐射缝隙。

例如：Y层辐射基板的第二封闭区形成倒金字塔形状或者类似于倒金字塔形状或者喇叭状的结构。

实施例五：基于实施例一到四之一，所述辐射贴片的形状为方形、圆形或其他形状，所述辐射贴片为两个贴片或者多个贴片；在所述辐射贴片与第二封闭区域边缘形成辐射缝隙。调整贴片形状、大小、贴片与第二封闭区域相对位置(辐射缝隙大小不同)，可增强辐射缝隙处场强强度，有利于提高辐射效率，提高天线增益。

实施例六：基于实施例一到五之一，所述馈电端口是位于馈电探针外部的同轴结构，所述馈电探针与耦合缝隙长边位置重合；馈电探针是穿过第一层模式变换基板延伸至第S层模式变换基板的金属孔结构，馈电探针未穿过第X层模式变换基板上表面，S大于1且S小于X。

实施例七：基于实施例一到六之一，所述馈电探针包括金属圆柱和金属帽；所述金属帽位于金属柱顶端，宽带集成天线通过金属圆柱底端焊接固定。

例如：

为了将本申请的宽带集成天线集成在其他芯片上时，将金属圆柱底端与外部的固定接口采用球焊方式焊接。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种宽带集成天线，其特征在于包括：

宽带集成天线包括X层模式变换基板，每层模式变换基板上均匀设置P个第一金属通孔形成的第一封闭区域；

宽带集成天线包括Y层辐射背腔基板，每层辐射背腔基板上均匀设置Q个第二金属通孔形成的第二封闭区域；

模式变换基板，用以通过第一封闭区域，使得从馈电端口馈入的TEM电磁波经过馈电探针后，在耦合缝隙处的场强方向垂直于耦合缝隙长边，并将所述电磁波经耦合缝隙层输出；以及，

辐射背腔基板，用以将所述电磁波信号，通过第二封闭区域后，经过辐射贴片与第二封闭区域边缘的辐射缝隙处辐射输出；

所述耦合缝隙位于模式变换腔和辐射背腔基板之间的辐射背腔基板底面；

第X-1层模式变换基板上P个第一金属通孔位置分别对应与第X层模式变换基板上P个第一金属通孔位置相同，所有第一金属通孔与模式变换基板的地连通；第X层模式变换基板与第1层辐射背腔基板相邻；馈电端口位于第一层模式变换基板下表面的馈电探针同轴性结构；

所述Y层辐射背腔基板在垂直方向形成外表面是倒梯形腔体结构；所述辐射贴片对称设置在第Y层辐射背腔基板上表面；Q个第二金属通孔穿过第一层辐射背腔基板下表面及第Y层辐射背腔基板上表面；上一层辐射基板第二封闭区域完全覆盖下一层辐射背腔基板第二封闭区域；

所述馈电探针包括金属圆柱和金属帽；所述金属帽位于金属柱顶端，宽带集成天线通过金属圆柱底端焊接固定；

其中，X代表模式变换腔的介质层数；Y代表辐射背腔的介质层数；P表示围成第一封闭区域的金属通孔总数；Q围成第二封闭区域的金属通孔总数。

2.如权利要求1所述的宽带集成天线，其特征在于：

所述第二封闭区域沿耦合缝隙长边轴线镜像对称；

第一封闭区域和第二封闭区域中心点重合，所述第一封闭区域与第二封闭区域重合区域50％到80％。

3.如权利要求2所述的宽带集成天线，其特征在于所述辐射贴片的形状为方形或圆形；所述辐射贴片为两个贴片；在所述辐射贴片与第二封闭区域边缘形成辐射缝隙。

4.如权利要求1、2或3所述的宽带集成天线，其特征在于所述馈电端口是位于馈电探针外部的同轴结构或芯片接口，所述馈电探针与耦合缝隙长边位置重合；馈电探针是穿过第一层模式变换基板延伸至第S层模式变换基板的金属孔结构，馈电探针未穿过第X层模式变换基板上表面；S是馈电探针所占用介质板的层数；S大于1且S小于X。