CN111430934B - 一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，包括在XY平面上周期排列的天线单元，所述天线单元包括顺序层叠排布的寄生基板层、主辐射基板层以及带状线功分基板层，所述寄生基板层的上端面设有第一金属层，所述寄生基板层的下端面与主辐射基板层的上端面之间设置第二金属层；主辐射基板层的下端面与带状线功分基板层的上端面之间设置第三金属层，带状线功分基板层的中部设置第四金属层，带状线功分基板层的下端面设置第五金属层；带状线功分基板层内位于第三金属层和第五金属层间且穿过第四金属层设置若干功分短路谐振柱；本发明的优点在于：天线带宽宽且剖面低。

Description

一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线

技术领域

本发明涉及微波技术领域，更具体涉及一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线。

背景技术

近年来，封装天线技术（Antenna-in-Package，AiP）因其很好地兼顾了天线性能、成本及体积，因而深受广大高校学者、制造厂商的青睐。如今AiP技术不仅仅被工业界广泛采用，也已从学术界天线领域扩散到集成电路、封装、材料与工艺、微波、雷达及通信等领域。低温共烧陶瓷工艺是一种有效的封装天线实现工艺。但是低温共烧陶瓷工艺所用基板的介电常数和损耗角正切均较高，在宽角扫描相控阵天线应用中容易引入不必要的表面波和环模谐振，影响天线的工作带宽和扫描范围。另一方面，在星载和机载应用中，要求天线的整体剖面较低，这对封装天线设计提出了新的挑战。

孙梅等人利用低温共烧陶瓷工艺为IBM 60 GHz SiGe接收机裸芯片设计的AiP。它采用了键合线球栅阵列（BGA）封装结构集成了 14 个网格的栅格天线（M. Sun, Y. P.Zhang, Y. X. Guo, K. M. Chua, and L. L. Wai, “Integration of Grid ArrayAntenna in Chip Package for Highly Integrated 60GHz Radios”, IEEE Antennasand wireless propagation letters, 2009(8):1364-1366）。测试结果表明栅格天线具有频带宽、辐射效率高的优点。该工作应用于固定波束的封装天线。而随着技术的发展，相控阵封装天线越来越多的应用到实际系统中，可以大幅度提高空域波束覆盖范围，系统灵敏度等指标。

AtabakRashidian等研制了一款应用低温共烧陶瓷工艺工作在60GHz的紧凑型相控阵（A. Rashidian, S. Jafarlou, A. Tomkins, et al, “Compact 60 GHz Phased-Array Antennas With Enhanced Radiation Properties in Flip-Chip BGA Packages”，IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019(3):1605-1619）。该天线工作在56-65GHz，有15%，剖面高度约0.2个工作频点波长。该工作天线的工作带宽较窄，剖面厚度较厚，在宽带星载和机载等对天线剖面高度有严格限制的应用方向，并不适用。综上，在低温共烧陶瓷工艺上，实现宽带宽角扫描的低剖面相控阵封装天线面临着巨大的设计挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术低温共烧陶瓷工艺实现的相控阵天线带宽窄以及剖面厚度较厚的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，包括在XY平面上周期排列的天线单元，所述天线单元包括顺序层叠排布的寄生基板层、主辐射基板层以及带状线功分基板层，所述寄生基板层的上端面设有第一金属层，所述寄生基板层的下端面与主辐射基板层的上端面之间设置第二金属层；主辐射基板层的下端面与带状线功分基板层的上端面之间设置第三金属层作为天线参考地，带状线功分基板层的中部设置第四金属层作为带状线功分器屏蔽地，第四金属层设置有带状线功分器；带状线功分基板层的下端面设置第五金属层作为带状线功分器下参考地，带状线功分基板层内位于第三金属层和第五金属层间且穿过第四金属层设置若干功分短路谐振柱，若干功分短路谐振柱围成封闭环路；带状线功分基板层内第三金属层和第四金属层间设置馈电谐振柱，馈电谐振柱与带状线功分器相连；带状线功分基板层内第四金属层和第五金属层间设置功分馈电谐振柱，馈电谐振柱以及功分馈电谐振柱均位于封闭环路区域内。

本发明通过设置第一金属层和第二金属层获得额外的谐振点并通过超薄的带状线功分器完成统一馈电，在没有增加天线剖面的情况下，加倍了多谐振结构并且减小了谐振贴片间的电流流经路径，若干功分短路谐振柱围成封闭环路，用于调节谐振点，将天线单元的环模谐振移至工作带外，扩展了天线的工作带宽，天线剖面厚度低且工作带宽宽。

优选的，所述主辐射基板层与第三金属层间设置若干根用于调节谐振点的短路谐振柱，短路谐振柱位于封闭环路区域外侧。

优选的，所述第四金属层中带状线功分器为T型结构，若干功分短路谐振柱围绕带状线功分器外围一圈围成T型封闭环路，T型封闭环路与带状线功分器之间的T型缝隙为带状线功分器屏蔽缝。

优选的，所述第五金属层位于功分馈电谐振柱的外围一圈设置封装天线焊盘，位于封装天线焊盘与功分短路谐振柱围成的封闭环路之间的空隙设置环形的封装天线焊盘缝。

优选的，所述两对主辐射贴片振子通过带状线功分基板层内的馈电谐振柱馈电，馈电谐振柱有两个，同轴对称位于T型封闭环路的末端，第三金属层中，以馈电谐振柱为圆心以若干功分短路谐振柱为边界围成的圆弧间隙为天线参考地馈电缝隙，两对天线参考地馈电缝隙的距离为天线单元Y方向周期的一半且关于天线单元中心对称；馈电谐振柱穿过第三金属层与第四金属层与带状线功分器相连，若干个功分短路谐振柱依次贯穿第三金属层、第四金属层以及第五金属层且包围带状线功分器呈T型封闭环路，带状线功分器再通过第四金属层和第五金属层间的功分馈电谐振柱与第五金属层的封装天线焊盘相连。

优选的，所述寄生基板层、主辐射基板层、带状线功分基板层均包括若干层低温共烧陶瓷基板，每层低温共烧陶瓷基板与相邻层低温共烧陶瓷基板通过烧结相连。

优选的，所述封装天线X方向的周期为最高工作波长的三分之一到二分之一；封装天线Y方向的周期为最高工作波长的三分之一到三分之二。

优选的，所述第一金属层为两对寄生谐振贴片振子，两对寄生振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对寄生谐振贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对寄生谐振贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称；所述第二金属层为两对主辐射贴片振子，主辐射贴片振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对主辐射贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对主辐射贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称。

优选的，所述寄生基板层、主辐射基板层、带状线功分基板层的材料为Ferro A6M、Dupont 9K7或者Dupont 951中的任一种。

优选的，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、馈电谐振柱、功分短路谐振柱、功分馈电谐振柱的材料为金、银或铜中的任一种。

本发明的优点在于：

（1）本发明通过设置第一金属层和第二金属层获得额外的谐振点并通过超薄的带状线功分器完成统一馈电，在没有增加天线剖面的情况下，加倍了多谐振结构并且减小了谐振贴片间的电流流经路径，若干功分短路谐振柱围成封闭环路，用于调节谐振点，将天线单元的环模谐振移至工作带外，扩展了天线的工作带宽，天线剖面厚度低且工作带宽宽。

（2）本发明使用超薄的寄生基板层和寄生谐振贴片振子获得额外的谐振点，配合主辐射基板层内的短路谐振柱调节主辐射贴片振子的工作谐振点，从而综合拓展天线工作带宽。

（3）本发明的天线结构可扩展性强，加工简单，实现难度低，有着广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的斜视结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的天线单元立体结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的侧视图；

图4为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的第一金属层示意图；

图5为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的第二金属层示意图；

图6为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的第三金属层示意图；

图7为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的第四金属层示意图；

图8为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的第五金属层示意图；

图9为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的中心单元有源驻波仿真图；

图10为本发明实施例所公开的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的10GHz扫描频点仿真方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，包括在XY平面上周期排列的天线单元，所述封装天线X方向的周期为最高工作波长的三分之一到二分之一；封装天线Y方向的周期为最高工作波长的三分之一到三分之二。天线单元X方向周期Dx=14mm，Y方向周期Dy=18mm，X方向包含天线单元8个，Y方向包含天线单元8个，全阵面共有天线单元64个。所述天线单元包括顺序层叠排布的寄生基板层1、主辐射基板层2以及带状线功分基板层3，所述寄生基板层1、主辐射基板层2、带状线功分基板层3均包括若干层低温共烧陶瓷基板，每层低温共烧陶瓷基板与相邻层低温共烧陶瓷基板通过烧结相连，其中基板的材料为Ferro A6M、Dupont 9K7或者Dupont 951中的任一种，通过低温共烧陶瓷基板加工工艺加工成基板，该加工工艺属于现有成熟工艺，在此不做赘述。

如图2和3所示，本实施例中，寄生基板层1包括2层低温共烧陶瓷基板总厚度0.192mm、主辐射基板层2包括22层低温共烧陶瓷基板总厚度2.112mm、带状线功分基板层3包括22层低温共烧陶瓷基板总厚度0.576mm，总厚度2.88mm，中心工作频点10GHz，等效厚度约为0.096个中心工作频点波长。

如图4所示，所述寄生基板层1的上端面设有第一金属层11，所述第一金属层11为两对寄生谐振贴片振子，寄生谐振贴片振子长度JSx=10.85mm，宽度JSy=6.3mm，两对寄生振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对寄生谐振贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对寄生谐振贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称。

如图5所示，所述寄生基板层1的下端面与主辐射基板层2的上端面之间设置第二金属层21；所述第二金属层21为两对主辐射贴片振子，主辐射振子长度ZFSx=10mm，宽度ZFSy=6mm。主辐射贴片振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对主辐射贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对主辐射贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称。

如图6所示，主辐射基板层2的下端面与带状线功分基板层3的上端面之间设置第三金属层311作为天线参考地（带状线功分器上参考地）。所述主辐射基板层2与第三金属层311间设置若干根用于调节谐振点的短路谐振柱22，短路谐振柱22的直径DDL=0.2mm，与单元边距DLx=3.05mm，DLy=3.15mm。通过调节短路谐振柱22的数量、排列形状和位置可以调节阵列封装天线单元的谐振点。

如图7和图8所示，带状线功分基板层3的中部设置第四金属层312作为带状线功分器屏蔽地，第四金属层312设置有带状线功分器33，带状线功分器33为无源一分二带状线功分器，该宽带无源一分二功分器，剖面低插损小；带状线功分基板层3的下端面设置第五金属层313作为带状线功分器下参考地，带状线功分基板层3内位于第三金属层311和第五金属层313间且穿过第四金属层312设置若干功分短路谐振柱31，短路谐振柱31直径DGFDL=0.2mm，若干功分短路谐振柱31围成封闭环路，本实施例中带状线功分器33为T型结构，若干功分短路谐振柱31围绕带状线功分器33外围一圈围成T型封闭环路，T型封闭环路与带状线功分器33之间的T型缝隙为带状线功分器屏蔽缝34，带状线功分器屏蔽缝34间距DF2=0.15mm；带状线功分基板层3内第三金属层311和第四金属层312间设置馈电谐振柱23，馈电谐振柱23与带状线功分器33相连；带状线功分基板层3内第四金属层312和第五金属层313间设置功分馈电谐振柱35，功分馈电谐振柱35的直径DGFKD=0.25mm。所述第五金属层313位于功分馈电谐振柱35的外围一圈设置封装天线焊盘36，封装天线焊盘36直径DHP=0.52mm，位于封装天线焊盘36与功分短路谐振柱31围成的封闭环路之间的空隙设置环形的封装天线焊盘缝37，封装天线焊盘缝37直径DHPF=1.3mm。馈电谐振柱23以及功分馈电谐振柱35均位于封闭环路区域内。短路谐振柱22位于封闭环路区域外侧。

所述两对主辐射贴片振子通过带状线功分基板层3内的馈电谐振柱23馈电，馈电谐振柱23有两个，同轴对称位于T型封闭环路的末端，馈电谐振柱23直径DKD=0.25mm与单元边距KDx=6.65mm，KDy=4.55mm。第三金属层311中，以馈电谐振柱23为圆心以若干功分短路谐振柱31为边界围成的圆弧间隙为天线参考地馈电缝隙32，两对天线参考地馈电缝隙32的距离为天线单元Y方向周期的一半且关于天线单元中心对称，馈天线参考地电缝隙32的形状和位置可以调节阵列封装天线单元的谐振点；馈电谐振柱23穿过第三金属层311与第四金属层312与带状线功分器33相连，若干个功分短路谐振柱31依次贯穿第三金属层311、第四金属层312以及第五金属层313且包围带状线功分器33呈T型封闭环路，带状线功分器33再通过第四金属层312和第五金属层313间的功分馈电谐振柱35与第五金属层313的封装天线焊盘36相连。

作为本发明进一步改进的方案，所述寄生基板层1、主辐射基板层2、带状线功分基板层3的材料为Ferro A6M、Dupont 9K7或者Dupont 951中的任一种。本实施例中，寄生基板层1、主辐射基板层2、带状线功分基板层3的材料为Ferro A6M。

作为本发明进一步改进的方案，所述第一金属层11、第二金属层21、第三金属层311、第四金属层312、第五金属层313、馈电谐振柱23、功分短路谐振柱31、功分馈电谐振柱35的材料为金、银或铜中的任一种。本实施例中，第一金属层11、第二金属层21、第三金属层311、第四金属层312、第五金属层313、馈电谐振柱23、短路谐振柱22、功分馈电谐振柱35、功分短路谐振柱31的材料为金。

本发明提供的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线的有源驻波仿真结果如图9所示，从结果看出该天线可以在整个X波段4~12GHz，40%的工作带宽内有源驻波优于3，可以实现X方向即方位向±45°的扫描。

本发明提供的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷封装天线的方向图仿真结果如图10所示，从结果看出该天线可以在整个X波段4~12GHz，40%的工作带宽内实现X方向±45°的扫描。

通过以上技术方案，本发明提供的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，通过设置第一金属层和第二金属层获得额外的谐振点并通过超薄的带状线功分器完成统一馈电，在没有增加天线剖面的情况下，加倍了多谐振结构并且减小了谐振贴片间的电流流经路径，若干功分短路谐振柱围成封闭环路，用于调节谐振点，将天线单元的环模谐振移至工作带外，扩展了天线的工作带宽，天线剖面厚度低且工作带宽宽。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，包括在XY平面上周期排列的天线单元，所述天线单元包括顺序层叠排布的寄生基板层、主辐射基板层以及带状线功分基板层，所述寄生基板层的上端面设有第一金属层，所述寄生基板层的下端面与主辐射基板层的上端面之间设置第二金属层；主辐射基板层的下端面与带状线功分基板层的上端面之间设置第三金属层作为天线参考地，带状线功分基板层的中部设置第四金属层作为带状线功分器屏蔽地，第四金属层设置有带状线功分器；带状线功分基板层的下端面设置第五金属层作为带状线功分器下参考地，带状线功分基板层内位于第三金属层和第五金属层间且穿过第四金属层设置若干功分短路谐振柱，若干功分短路谐振柱围成封闭环路；带状线功分基板层内第三金属层和第四金属层间设置馈电谐振柱，馈电谐振柱与带状线功分器相连；带状线功分基板层内第四金属层和第五金属层间设置功分馈电谐振柱，馈电谐振柱以及功分馈电谐振柱均位于封闭环路区域内；

所述主辐射基板层与第三金属层间设置若干根用于调节谐振点的短路谐振柱，短路谐振柱位于封闭环路区域外侧；

所述封装天线X方向的周期为最高工作波长的三分之一到二分之一；封装天线Y方向的周期为最高工作波长的三分之一到三分之二；

所述第一金属层为两对寄生谐振贴片振子，两对寄生振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对寄生谐振贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对寄生谐振贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称；所述第二金属层为两对主辐射贴片振子，主辐射贴片振子形状包括且不限于领结型、三角形、矩形、椭圆形，两对主辐射贴片振子的尺寸用于调节天线单元的谐振点，两对主辐射贴片振子的距离为天线单元Y方向周期的一半，且关于单元中心对称。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述第四金属层中带状线功分器为T型结构，若干功分短路谐振柱围绕带状线功分器外围一圈围成T型封闭环路，T型封闭环路与带状线功分器之间的T型缝隙为带状线功分器屏蔽缝。

3.根据权利要求2所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述第五金属层位于功分馈电谐振柱的外围一圈设置封装天线焊盘，位于封装天线焊盘与功分短路谐振柱围成的封闭环路之间的空隙设置环形的封装天线焊盘缝。

4.根据权利要求3所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述两对主辐射贴片振子通过带状线功分基板层内的馈电谐振柱馈电，馈电谐振柱有两个，同轴对称位于T型封闭环路的末端，第三金属层中，以馈电谐振柱为圆心以若干功分短路谐振柱为边界围成的圆弧间隙为天线参考地馈电缝隙，两对天线参考地馈电缝隙的距离为天线单元Y方向周期的一半且关于天线单元中心对称；馈电谐振柱穿过第三金属层与第四金属层与带状线功分器相连，若干个功分短路谐振柱依次贯穿第三金属层、第四金属层以及第五金属层且包围带状线功分器呈T型封闭环路，带状线功分器再通过第四金属层和第五金属层间的功分馈电谐振柱与第五金属层的封装天线焊盘相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述寄生基板层、主辐射基板层、带状线功分基板层均包括若干层低温共烧陶瓷基板，每层低温共烧陶瓷基板与相邻层低温共烧陶瓷基板通过烧结相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述寄生基板层、主辐射基板层、带状线功分基板层的材料为Ferro A6M、Dupont9K7或者Dupont 951中的任一种。

7.根据权利要求1所述的一种基于混合多谐振结构的低温共烧陶瓷工艺封装天线，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、馈电谐振柱、功分短路谐振柱、功分馈电谐振柱的材料为金、银或铜中的任一种。

Images