CN110676555A - 一种散热片天线阵结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散热片天线阵结构，包括鳍片式的金属散热片、散热片金属底座和基板。基板上表面与散热片金属底座相连，其下表面与热源芯片相连，散热片金属底座上开有作为天线辐射口径的矩形通腔阵列；基板包括多层金属层，各金属层之间设有介质层，且最上层金属层开有与散热片金属底座的矩形通腔阵列对应的矩形孔阵列，介质层中含有用于形成基片集成波导结构的金属过孔阵列；金属过孔阵列有效降低鳍片式的金属散热片与热源芯片之间的通道热阻，并形成基片集成波导结构以作为散热片天线的馈电网络。与现有技术相比，本发明实现了天线与散热片结构的共形，提高了系统的集成度。

Description

一种散热片天线阵结构

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种散热片天线阵结构。

背景技术

随着电子通信技术的不断发展，小型化、高集成度的无线通信系统应用领域越来越广泛。在系统设计过程中，为了充分利用空间资源，减少过长馈线所带来的能量损耗，包含芯片、前端电路和天线在内的各种有源和无源器件被要求集成在有限尺寸的封装体中。此时，虽然系统的输入总功率有所降低，但是由于整体尺寸的减小，其单位体积内所承受的热功率反而增加，极易引起器件性能的降低，导致系统无法正常工作，甚至严重损毁。因此在实际设计中，需同时考虑系统的散热性能，为了耗散系统中多余的热量，通常将引入额外的散热结构。

考虑到导热性能，散热结构通常为金属材质，鳍片式金属散热片即为一种常用的散热结构。然而在实际应用中，由于金属散热片往往紧邻系统电路，其易与各个器件发生寄生电磁耦合，从而引起电磁兼容问题，导致能量损耗或额外噪声。并且，对于包含天线的集成系统，金属散热片自身的寄生辐射还有可能导致天线整体方向图的畸变与恶化，极大地影响了系统的正常工作。因此，为了同时兼顾集成系统的正常工作和散热性能，电热协同的一体化设计尤为重要。

为了实现电热协同设计，现有的方法主要采用散热片与微带贴片天线的结合，例如在微带贴片天线顶部加装鳍片式金属散热片。该方法能够在一定程度上提高微带贴片天线的辐射效率，但是由于散热片底座尺寸需要与贴片尺寸保持一致，当工作频率升高时，贴片尺寸随着波长缩短而不断减小，极大地限制了散热片的设计空间，导致无法实现有效散热。上述问题对于毫米波天线设计来说尤其严重。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而通过在传统鳍片式的金属散热片底座中引入矩形通腔作为辐射口径，将散热片结构设计为具有辐射功能的天线阵，实现了天线与散热片结构的共形，提高了系统的集成度，适用于高功率小型化的射频与毫米波收发组件的天线与散热结构一体化设计。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种散热片天线阵结构，包括鳍片式金属散热片(7)、散热片金属底座(1)和基板，基板上表面与散热片金属底座(1)相连，其下表面与热源芯片相连，所述散热片金属底座(1)上开有作为天线辐射口径的矩形通腔阵列(8)，所述基板包括多层金属层，各金属层之间设有介质层，且最上层金属层开有与散热片金属底座的矩形通腔阵列(8)对应的矩形孔阵列(9)，所述介质层中含有用于形成基片集成波导结构的金属过孔阵列；

各介质层中的金属过孔阵列有效降低鳍片式金属散热片(7)与热源芯片之间的通道热阻，并形成基片集成波导结构以作为散热片天线的馈电网络。

所述矩形通腔阵列(8)的开口尺寸满足矩形波导的TE₁₀工作模式，每个矩形通腔与相邻两个金属鳍片构成准电磁工作模式的阶梯剖面喇叭天线。

所述基板共包含三层金属层，其中，

最上层金属层(2)、上层介质层(3)、中层金属层(4)，以及上层介质层(3)中的上层金属过孔阵列(10)构成上层基片集成波导结构，

中层金属层(4)、下层介质层(5)、最下层金属层(6)，以及下层介质层(5)中的下层金属过孔阵列(12)构成下层基片集成波导结构。

所述下层介质层(5)上还设有天线馈电网络输入口(13)。

所述中层金属层(4)上设有用于实现上层基片集成波导和下层基片集成波导之间转接馈电的含反焊盘结构的中层金属过孔阵列(11)。

所述基板为低温共烧陶瓷基板。

所述鳍片式金属散热片的高度大于二分之一工作波长，横向长边长度与散热片金属底座(1)上的矩形通腔长边一致，散热片鳍片之间的间距小于或等于一个工作波长。

所述下层基片集成波导结构为T型输入功率分配网络。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用电热协同的一体化设计，将天线阵直接集成在了鳍片式散热片上，极大地节省了系统空间，同时巧妙地解决了金属散热片结构所带来的电磁兼容的问题；

(2)通过在散热片底座上开矩形通腔的形式，实现了阶梯剖面喇叭天线的形式，易于组阵，并使得散热片结构的整体尺寸不再限制于工作波长，适用于高频微波乃至毫米波频段；

(3)在低温共烧陶瓷基板中，采用了基片集成波导结构作为散热片天线的馈电网络，其包含大量的金属化孔，可同时作为导热通孔将热源热量传导至鳍片式散热片，无需额外的导热结构，降低了设计复杂度，节省了设计成本。

附图说明

图1为2×2散热片天线阵结构立体示意图；

图2为4×4散热片天线阵结构立体示意图；

图3为上层基片集成波导结构平面示意图；

图4为下层基片集成波导结构平面示意图；

图5为4×4散热片天线阵单元增益随鳍片高度变化曲线；

图6为4×4散热片天线阵单元增益随鳍片间距变化曲线；

图7为4×4散热片天线阵反射系数曲线；

图8为4×4散热片天线阵增益曲线；

图9为4×4散热片天线阵辐射方向图；

其中：1、金属底座，2、最上层金属层，3、上层介质层，4、中层金属层，5、下层介质层，6、最下层金属层，7、金属散热片，8、矩形通腔阵列，9、矩形孔阵列，10、上层金属过孔阵列，11、中层金属过孔阵列，12、下层金属过孔阵列，13、天线馈电网络输入口，40、调谐过孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种散热片天线阵结构，包括鳍片式的金属散热片7、散热片金属底座1和基板，基板为低温共烧陶瓷基板，基板上表面与散热片金属底座1相连，其下表面与热源芯片相连，散热片金属底座1上开有作为天线辐射口径的矩形通腔阵列8，基板包括多层金属层，各金属层之间设有介质层，且最上层金属层开有与散热片金属底座的矩形通腔阵列8对应的矩形孔阵列9，介质层中含有用于形成基片集成波导结构的金属过孔阵列；

各金属过孔阵列有效降低鳍片式的金属散热片7与热源芯片之间的通道热阻，并形成基片集成波导结构以作为散热片天线的馈电网络。

矩形通腔阵列8的开口尺寸满足矩形波导的TE₁₀工作模式，每个矩形通腔与相邻两个金属鳍片构成准电磁工作模式的阶梯剖面喇叭天线。具体地，散热片金属底座1上开有的矩形通腔，其矩形长边应大于二分之一工作波长，其矩形窄边应不大于二分之一波长，以满足矩形波导的TE₁₀工作模式。散热片鳍片的高度应大于二分之一工作波长，横向长边长度应与散热片底座上的矩形通腔长边一致，散热片鳍片之间的间距应不大于一个工作波长。

本实施例中，基板共包含三层金属层，其中，

最上层金属层2、上层介质层3、中层金属层4，以及上层金属过孔阵列10构成上层基片集成波导结构，基板包含的上层基片集成波导，通过阶梯式转接结构，实现基片集成波导向散热片天线阵各单元的馈电。

中层金属层4、下层介质层5、最下层金属层6，以及下层金属过孔阵列12构成下层基片集成波导结构。

下层介质层5上还设有天线馈电网络输入口13。

中层金属层4上设有用于实现上层基片集成波导和下层基片集成波导之间转接馈电的含反焊盘结构的中层金属过孔阵列11。

基板中上层和下层基片集成波导之间的转接结构，可根据实际需求，选用缝隙耦合等其他转接方式。

下层基片集成波导结构为T型输入功率分配网络，当然也可根据实际需求，选用Y型功率分配网络等其他功结构。

鳍片式的金属散热片7的结构，可根据实际需求，选用模具浇铸等其他工艺加工实现，关于散热片材质，可选用铝等其他金属材料。

热源芯片应贴于低温共烧陶瓷基板底部，低温共烧陶瓷基板中的金属过孔同时作为导热通孔将热源热量传导至鳍片式散热片。

以如图1所示的2×2散热片天线阵结构为例，本申请提供的散热片天线阵结构包括：鳍片式的金属散热片7、散热片金属底座1、金属底座上的矩形通腔阵列8、上层金属层2、矩形孔阵列9、上层介质层3、上层金属过孔阵列10、中层金属层4、中层金属过孔阵列11，下层介质层5、下层金属过孔阵列12、天线馈电网络输入口13以及下层金属层6。

在具体实施过程中，本实施例提供了一款4×4散热片天线阵的设计方案，如图2所示，工作频率为60GHz。鳍片式的金属散热片7采用3D打印技术加工实现，上层介质层3和下层介质层5采用低温共烧陶瓷工艺加工实现。其中，低温共烧陶瓷基板介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，几何尺寸为23mm×19mm×0.96mm。鳍片式散热片7平面大小为23mm×19mm，散热片金属底座1厚度为1mm。若工作频率改变，散热片和介质板的尺寸也相应改变。

如图2所示，在散热片金属底座1上开有4×4矩形通腔阵列，腔体尺寸为3mm×1.5mm×1mm，其横向尺寸满足矩形波导的TE10工作模式，鳍片大小为5mm×3mm×0.5mm，鳍片间距为4mm。

如图2所示，上层基片集成波导结构由上层金属层2、上层介质层3，上层金属过孔阵列10和中层金属层4构成，波导宽度为1.6mm。上层金属层2开有4×4矩形孔阵列9，作为提供散热片天线阵激励的馈电转接结构，矩形孔大小为1.8mm×1.3mm。

图3为上层基片集成波导结构的平面示意图。每个单元的波导宽度由1.6mm变为3mm，以实现较宽频带的基片集成波导与矩形波导的过渡，作为提供散热片天线阵激励的馈电转接结构。

如图2所示，利用含反焊盘结构的中层金属过孔阵列实现上层和下层基片集成波导之间的转接馈电。反焊盘直径为0.6mm，中层金属过孔阵列11的直径为0.1mm。根据实际需求，亦可选用缝隙耦合等其他转接方式。

如图2所示，下层基片集成波导结构由中层金属层4、下层介质层5，下层金属过孔阵列12和和下层金属层6构成，波导宽度为1.6mm。

图4为下层基片集成波导结构的平面示意图。采用了T型输入功率分配网络，在每个T型拐角处均有调谐过孔40，用以调节波导拐角的能量反射。根据实际需求，亦可选用Y型功率分配网络等其他功结构。

图5为所述4×4散热片天线阵单元增益随鳍片高度变化曲线。可得，当鳍片高度不超过一个工作波长时，增大鳍片的高度可提高天线阵的增益。

图6为所述4×4散热片天线阵单元增益随鳍片间距变化曲线。可得，当鳍片间距不超过一个工作波长时，增大鳍片的间距可提高天线阵的增益。

图7为所述4×4散热片天线阵结构的反射系数，其-10dB阻抗带宽为6.6GHz，相对带宽为11％。

图8为所述4×4散热片天线阵结构的增益曲线，其在工作频率处增益为18.61dBi，最大增益为19.3dBi，3dB增益带宽为7.6GHz，相对带宽为12.7％。

图9为所述4×4散热片天线阵结构的辐射方向图，在E面和H面的3dB主瓣波束宽度分别为14.8°和15.6°。

在热性能方面，散热片天线阵结构，热源应贴于低温共烧陶瓷基板底部，低温共烧陶瓷基板中的上层金属过孔阵列10和下层金属过孔阵列12同时作为导热通孔将热源热量传导至鳍片式散热片。

进一步地，根据本发明设计的低温共烧陶瓷基板，可根据实际需求，在基板中加入更多位于基片集成波导结构之外的金属过孔，以此增加导热通孔数量，降低热源芯片与鳍片式散热片之间的热阻大小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种散热片天线阵结构，包括鳍片式金属散热片(7)、散热片金属底座(1)和基板；基板上表面与散热片金属底座(1)相连，其下表面与热源芯片相连，其特征在于，所述散热片金属底座(1)上开有作为天线辐射口径的矩形通腔阵列(8)，所述基板包括多层金属层，各金属层之间设有介质层，且最上层金属层开有与散热片金属底座的矩形通腔阵列(8)对应的矩形孔阵列(9)，所述介质层中含有用于形成基片集成波导结构的金属过孔阵列；

各介质层中的金属过孔阵列有效降低鳍片式金属散热片(7)与热源芯片之间的通道热阻，并形成基片集成波导结构以作为散热片天线的馈电网络。

2.根据权利要求1所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述矩形通腔阵列(8)的开口尺寸满足矩形波导的TE₁₀工作模式，每个矩形通腔与相邻两个金属鳍片构成准电磁工作模式的阶梯剖面喇叭天线。

3.根据权利要求1所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述基板共包含三层金属层，其中，

最上层金属层(2)、上层介质层(3)、中层金属层(4)，以及上层介质层(3)中的上层金属过孔阵列(10)构成上层基片集成波导结构，

中层金属层(4)、下层介质层(5)、最下层金属层(6)，以及下层介质层(5)中的下层金属过孔阵列(12)构成下层基片集成波导结构。

4.根据权利要求3所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述下层介质层(5)上还设有天线馈电网络输入口(13)。

5.根据权利要求3所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述中层金属层(4)上设有用于实现上层基片集成波导和下层基片集成波导之间转接馈电的含反焊盘结构的中层金属过孔阵列(11)。

6.根据权利要求1所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述基板为低温共烧陶瓷基板。

7.根据权利要求2所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述鳍片式金属散热片的高度大于二分之一工作波长，横向长边长度与散热片金属底座(1)上的矩形通腔长边一致，散热片鳍片之间的间距小于或等于一个工作波长。

8.根据权利要求3所述的一种散热片天线阵结构，其特征在于，所述下层基片集成波导结构为T型输入功率分配网络。

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