CN112787089A - 毫米波封装天线及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波封装天线及阵列天线，第一射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号输入到合路端，由各个分支端分别输送给多个第一极化馈电盘，第二射频信号输入输出管脚将第二极化方向射频信号输入到合路端，同样由各个分支端分别输送给多个第二极化馈电盘。第三射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层，第二波束成形芯片将第二极化方向射频信号输出到第二射频线路层。由于将第一一分N功分馈电线与第二一分N功分馈电线设置于第一射频线路层，并非是设置于两个不同的层，在射频信号层开设的连接到接地管脚的金属化地孔为一阶盲孔及两阶盲孔，使得产品体积小型化，减小重量。

Description

毫米波封装天线及阵列天线

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，特别是涉及一种毫米波封装天线及阵列天线。

背景技术

随着5G通信技术的发展，为了克服sub-6G频谱资源紧缺的问题，毫米波在大带宽、高速率通信方面有显著优势。但在5G毫米波频段，电磁波信号空间损耗大，传播路径短。

双极化阵列天线，可以同时接收或发射两个极化方式相互垂直的信号，而且互不干扰，可减少天线数量，节省天线占用空间。同时，提供极化分集以对抗多径衰落和增加信道容量。目前市场上毫米波双极化阵列天线比较少见，适合于5G毫米波通信的双极化阵列天线大都处于预研阶段。常见的是毫米波单极化阵列天线，通过两幅不同极化的阵列天线，来满足hybrid-Beamforming(混合波束形成)应用场景MIMO通信的需求，但天线数量较多，不利于设备小型化设计，且天线设备重量较重。

此外，传统的5G毫米波阵列天线通常采用LTCC(Low Temperature Co-firedCeramic低温共烧陶瓷)工艺实现，由于LTCC工艺成熟度偏低，同时成本居高不下，对5G毫米波通信的大规模应用具有较大局限性。

发明内容

基于此，有必要克服现有技术的缺陷，提供一种毫米波封装天线及阵列天线，它能够适用于工艺成熟的HDI工艺生产制造，能实现成本低、体积小及重量轻。

其技术方案如下：一种毫米波封装天线，所述毫米波封装天线包括多层电路板，所述多层电路板包括：

辐射单元层，所述辐射单元层设有若干个辐射振子片，与所述辐射振子片对应设置的两个第一极化馈电盘，及两个第二极化馈电盘；

负责第一极化方向的第一波束成形芯片，所述第一波束成形芯片设有第一射频信号输入输出管脚、第二射频信号输入输出管脚与接地管脚；

负责第二极化方向的第二波束成形芯片，所述第二波束成形芯片设有第三射频信号输入输出管脚、第四射频信号输入输出管脚与接地管脚；

依次叠置设置的第一射频线路层、第一地层及第二射频线路层，所述第一射频线路层与所述第一地层之间，所述第一地层与所述第二射频线路层之间均设有高频介质材料；所述第一射频信号输入输出管脚、所述第三射频信号输入输出管脚均电性连接到所述第一射频线路层，所述第一射频线路层分别与所述第一极化馈电盘、所述第二极化馈电盘电性连接；

所述第一地层与所述接地管脚电性连接；所述第二射频信号输入输出管脚、所述第四射频信号输入输出管脚均电性连接到所述第二射频线路层。

上述的毫米波封装天线，工作时，负责第一极化方向的第一波束成形芯片的第一射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输入到第一射频线路层，由第一射频线路层分别输送给多个第一极化馈电盘，同样地，负责第二极化方向的第二波束成形芯片的第三射频信号输入输出管脚将第二极化方向射频信号例如输入到第一射频线路层，由第一射频线路层分别输送给多个第二极化馈电盘；负责第一极化方向的第一波束成形芯片的第二射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层，负责第二极化方向的第二波束成形芯片将第二极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层，由第二射频线路层传输到外界装置。如此，便能够实现HDI设计的多层电路板的辐射单元层的射频信号的输入输出。

在其中一个实施例中，所述第一射频线路层包括第一一分N功分馈电线，与第二一分N功分馈电线，所述第一射频信号输入输出管脚电性连接到所述第一一分N功分馈电线的合路端，所述第一一分N功分馈电线的多个支路端分别与多个所述第一极化馈电盘对应电性连接，所述第三射频信号输入输出管脚电性连接到所述第二一分N功分馈电线的合路端，所述第二一分N功分馈电线的多个支路端分别与多个所述第二极化馈电盘对应电性连接。

在其中一个实施例中，所述多层电路板还包括控制信号层，所述控制信号层设有第一控制线路与第二控制线路，所述第一波束成形芯片还设有第一控制管脚，所述第一控制管脚与所述第一控制线路电性连接；所述第二波束成形芯片还设有第二控制管脚，所述第二控制管脚与所述第二控制线路电性连接。

在其中一个实施例中，所述多层电路板还包括电源平面层；所述第一波束成形芯片还设有电源管脚，所述第二波束成形芯片还设有电源管脚，所述电源管脚与所述电源平面层的电源面电性连接。

在其中一个实施例中，所述多层电路板还包括第二地层、第三地层及第四地层；所述辐射单元层、所述第二地层、所述电源平面层、所述第三地层、所述控制信号层、所述第四地层、所述第一射频线路层、第一地层及第二射频线路层从上至下依次叠层设置；所述第一波束成形芯片与所述第二波束成形芯片设置于所述第二射频线路层上。

在其中一个实施例中，所述多层电路板设置有若干个第一垂直互连金属化过孔，与若干个第二垂直互连金属化过孔，若干个所述第一垂直互连金属化过孔与若干个第一极化馈电盘一一对应设置，所述第一垂直互连金属化过孔由所述辐射单元层贯穿到所述第一射频线路层，所述第一垂直互连金属化过孔的一端与所述第一极化馈电盘电性连接，所述第一垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一一分N功分馈电线的支路端电性连接；若干个所述第二垂直互连金属化过孔与若干个第二极化馈电盘一一对应设置，所述第二垂直互连金属化过孔由所述辐射单元层贯穿到所述第一射频线路层，所述第二垂直互连金属化过孔的一端与所述第二极化馈电盘电性连接，所述第二垂直互连金属化过孔的另一端与所述第二一分N功分馈电线的支路端电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第三垂直互连金属化过孔，与若干个第四垂直互连金属化过孔，所述第三垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第三垂直互连金属化过孔的一端与所述第一一分N功分馈电线的合路端，所述第三垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一射频信号输入输出管脚电性连接；所述第四垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第四垂直互连金属化过孔的一端与所述第二一分N功分馈电线的合路端，所述第四垂直互连金属化过孔的另一端与所述第三射频信号输入输出管脚电性连接；

所述多层电路板还设有第五垂直互连金属化过孔与第六垂直互连金属化过孔；所述第五垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第五垂直互连金属化过孔的一端与所述第一控制线路电性连接，所述第五垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一控制管脚电性连接；所述第六垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第六垂直互连金属化过孔的一端与所述第二控制线路电性连接，所述第六垂直互连金属化过孔的另一端与所述第二控制管脚电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第七垂直互连金属化过孔，所述第七垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述电源平面层的电源面通过所述第七垂直互连金属化过孔与所述接地管脚电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第八垂直互连金属化过孔与若干个第九垂直互连金属化过孔，所述第八垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第一射频线路层，所述第九垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第八垂直互连金属化过孔与所述第九垂直互连金属化过孔电性连接，所述第一地层、所述第二地层、所述第三地层及所述第四地层均通过所述第八垂直互连金属化过孔相互电性连接，所述第九垂直互连金属化过孔与所述接地管脚电性连接。

在其中一个实施例中，所述第一垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第八垂直互连金属化过孔，所述第二垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第八垂直互连金属化过孔，所述第三垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第九垂直互连金属化过孔，所述第四垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第九垂直互连金属化过孔。

在其中一个实施例中，所述多层电路板还设有一阶金属化过孔，所述一阶金属化过孔由所述第一地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第一地层通过所述一阶金属化过孔与所述接地管脚电性连接。

在其中一个实施例中，所述多层电路板还包括无金属布线层，所述无金属布线层位于所述辐射单元层与所述第二地层之间。

在其中一个实施例中，所述无金属布线层为两层，所述控制信号层为两层，所述辐射单元层、所述无金属布线层、所述第二地层、所述电源平面层、所述第三地层、所述控制信号层、所述第四地层、所述第一射频线路层、所述第一地层及所述第二射频线路层的各个相邻层之间均设有高频介电材料。

一种阵列天线，包括两个以上所述的毫米波封装天线。

上述的阵列天线，工作时，负责第一极化方向的第一波束成形芯片的第一射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输入到第一射频线路层，由第一射频线路层分别输送给多个第一极化馈电盘，同样地，负责第二极化方向的第二波束成形芯片的第三射频信号输入输出管脚将第二极化方向射频信号例如输入到第一射频线路层，由第一射频线路层分别输送给多个第二极化馈电盘；负责第一极化方向的第一波束成形芯片的第二射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层，负责第二极化方向的第二波束成形芯片将第二极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层，由第二射频线路层传输到外界装置。如此，便能够实现HDI设计的多层电路板的辐射单元层的射频信号的输入输出。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第一波束成形芯片的结构示意图；

图2为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的截面示意图；

图3为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的辐射单元层的结构示意图；

图4为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的无金属布线层的结构示意图；

图5为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第二地层的结构示意图；

图6为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的电源平面层的结构示意图；

图7为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的控制信号层的结构示意图；

图8为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第一射频线路层的结构示意图；

图9为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第一地层的结构示意图；

图10为本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第二射频线路层的结构示意图；

图11为本发明一实施例所述的阵列天线的辐射单元层的结构示意图；

图12为本发明一实施例所述的阵列天线中第二射频信号输入输出管脚、第四射频信号输入输出管脚连接到功分馈电网络中的结构示意图；

图13为本发明一实施例所述的阵列天线中多个第一波束成形芯片的布置结构示意图。

10、辐射单元层；11、辐射振子片；12、第一极化馈电盘；13、第二极化馈电盘；20、第一波束成形芯片；21、第一射频信号输入输出管脚；22、第二射频信号输入输出管脚；23、接地管脚；24、第一控制管脚；25、电源管脚；30、第一射频线路层；31、第一一分N功分馈电线；311、合路端；312、支路端；32、第二一分N功分馈电线；321、合路端；322、支路端；40、第一地层；50、第二射频线路层；60、控制信号层；61、第一控制线路；62、第二控制线路；70、电源平面层；71、电源面；81、第二地层；82、第三地层；83、第四地层；91、第一垂直互连金属化过孔；92、第一反焊盘；93、第三垂直互连金属化过孔；94、第三反焊盘；95、第五垂直互连金属化过孔；96、第五反焊盘；97、第七垂直互连金属化过孔；98、第七反焊盘；981、第一供电面；991、第八垂直互连金属化过孔；992、第九垂直互连金属化过孔；993、一阶金属化过孔；994、无金属布线层；995、第八反焊盘；996、第二供电面；101、第一介质层；102、第二介质层；103、第三介质层；104、第四介质层；105、第五介质层；106、第六介质层；107、第七介质层；108、第八介质层；109、第九介质层；110、第十介质层；111、第十一介质层；121、第一极化一分十六功分馈电网络；122、第二极化一分十六功分馈电网络；123、射频馈电口；124、数字多针插座；125、连接焊盘；126、菊花链主线；127、微带线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参阅图1及图2，图1示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第一波束成形芯片20的结构示意图；图2示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的截面示意图，需要说明的是，图2中示意的截面示意图并非是完整的截面示意图，它仅仅示意出了第一波束成形芯片20所在位置的截面示意图，第二波束成形芯片所在位置的截面示意图因为与第一波束成形芯片20所在位置的截面示意图相同，故在图2中省略掉了。本发明一实施例提供的一种毫米波封装天线，毫米波封装天线包括多层电路板。多层电路板包括：辐射单元层10，负责第一极化方向的第一波束成形芯片20，负责第二极化方向的第二波束成形芯片，依次叠置设置的第一射频线路层30、第一地层40及第二射频线路层50。

请再参阅图2及图3，辐射单元层10设有若干个辐射振子片11，与辐射振子片11对应设置的两个第一极化馈电盘12及两个第二极化馈电盘13。辐射振子片11例如为正方形、圆形、椭圆形等等，在此不进行限定。

请再参阅图1及图2，第一波束成形芯片20设有第一射频信号输入输出管脚21、第二射频信号输入输出管脚22与接地管脚23。第二波束成形芯片设有第三射频信号输入输出管脚、第四射频信号输入输出管脚与接地管脚23。

请参阅图2，第一射频线路层30与第一地层40之间，第一地层40与第二射频线路层50之间均设有高频介质材料。第一射频信号输入输出管脚21、第三射频信号输入输出管脚均电性连接到第一射频线路层30，第一射频线路层30分别与第一极化馈电盘12、第二极化馈电盘13电性连接。

此外，第一地层40与接地管脚23电性连接。第二射频信号输入输出管脚22、第四射频信号输入输出管脚均电性连接到第二射频线路层50。

具体而言，请参阅图8，图8示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第一射频线路层30的结构示意图。第一射频线路层30包括第一一分N功分馈电线31与第二一分N功分馈电线32。第一射频信号输入输出管脚21电性连接到第一一分N功分馈电线31的合路端311。第一一分N功分馈电线31的多个支路端312分别与多个第一极化馈电盘12对应电性连接。第三射频信号输入输出管脚电性连接到第二一分N功分馈电线32的合路端321。第二一分N功分馈电线32的多个支路端322分别与多个第二极化馈电盘13对应电性连接。

上述的毫米波封装天线，工作时，负责第一极化方向的第一波束成形芯片20的第一射频信号输入输出管脚21将第一极化方向射频信号例如输入到第一一分N功分馈电线31的合路端311，由第一一分N功分馈电线31的各个支路端312分别输送给多个第一极化馈电盘12，同样地，负责第二极化方向的第二波束成形芯片的第三射频信号输入输出管脚将第二极化方向射频信号例如输入到第二一分N功分馈电线32的合路端321，由第二一分N功分馈电线32的各个支路端322分别输送给多个第二极化馈电盘13；负责第一极化方向的第一波束成形芯片20的第二射频信号输入输出管脚22将第一极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层50，负责第二极化方向的第二波束成形芯片将第二极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层50，由第二射频线路层50传输到外界装置。如此，便能够实现HDI设计的多层电路板的辐射单元层10的射频信号的输入输出。

其中，由于将第一一分N功分馈电线31与第二一分N功分馈电线32设置于第一射频线路层30，并非是设置于两个不同的层，从而能实现在射频信号层开设的连接到接地管脚23的金属化地孔为一阶盲孔及两阶盲孔，使得产品体积小型化，减小重量。

请再参阅图1，需要说明的是，第一波束成形芯片20的第二射频信号输入输出管脚22的数量不进行限定，本实施例中附图中示意出的为一个；此外，第一波束成形芯片20的第一射频信号输入输出管脚21的数量也不进行限定，例如可以是一个、两个、三个、四个或其它数量，本实施例中附图1中示意出的四个。另外，第一波束成形芯片20的接地管脚23的数量也不进行限定，例如可以是一个、两个、三个、四个或其它数量。

需要说明的是，第二波束成形芯片在图2中并没有示意出来，但是其采用的结构与第一波束成形芯片20完全相同，在此不进行赘述。不同之处在于，第一波束成形芯片20负责的是第一极化方向的射频信号的传输，第二波束成形芯片负责的是第二极化方向的射频信号的传输。

请参阅图3，需要说明的是，两个第一极化馈电盘12及两个第二极化馈电盘13与辐射振子片11对应设置中的对应设置指的是，两个第一极化馈电盘12与两个第二极化馈电盘13绕辐射振子片11的外围等间隔地布置，两个第一极化馈电盘12相对设置，两个第二极化馈电盘13相对设置，两个第一极化馈电盘12中心的连线与两个第二极化馈电盘13中心的连线相互垂直。此外，第一极化馈电盘12与辐射振子片11的边缘设有间隔进行耦合馈电，也可以与辐射振子片11的边缘直接连接馈电；同样地，第二极化馈电盘13与辐射振子片11的边缘设有间隔进行耦合馈电，也可以与辐射振子片11的边缘直接连接馈电。两个第一极化馈电盘12对辐射振子片11馈入第一极化方向信号(例如+45°极化方向信号)，两个第二极化馈电盘13对辐射振子片11馈入第二极化方向信号(例如-45°极化方向信号)，实现毫米波双极化5G阵列天线。当第二极化馈电盘13与辐射振子片11的边缘设有间隔进行耦合馈电，可实现宽带特性，覆盖例如24.25GHz～27.5GHz的5GNRn258频段。

进一步地，两个第一极化馈电盘12及两个第二极化馈电盘13与辐射振子片11构成一个阵子单元，如图3虚线框P内所示的两个阵子单元构成一个一驱二的子阵单元，图3中共有4个相同的子阵单元，构成2×2的一驱二子阵阵列。此外，相邻子阵单元的水平间距为如图3所示的S1，S1一般要小于半波长，根据波束扫描范围、旁瓣及栅瓣要求等来优化。相邻子阵单元的垂直间距为如图3所示的S2，S2一般可稍微大于半波长，根据波束扫描范围、旁瓣及栅瓣要求等来优化。

请再参阅图2及图8，需要说明的是，第一一分N功分馈电线31、第二一分N功分馈电线32中的N均为不小于2的自然数，例如可以是2、3、4、6、8等等。第一一分N功分馈电线31中的N与第二一分N功分馈电线32中的N可以相同也可以不同，不进行限定。本实施例中，图8中示意出的第一一分N功分馈电线31与第二一分N功分馈电线32中的N均具体为4。

请参阅图1、图2及图7，图7示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的控制信号层60的结构示意图。在一个实施例中，多层电路板还包括控制信号层60。控制信号层60设有第一控制线路61与第二控制线路62。第一波束成形芯片20还设有第一控制管脚24。第一控制管脚24与第一控制线路61电性连接。第二波束成形芯片还设有第二控制管脚。第二控制管脚与第二控制线路62电性连接。如此，外界装置通过控制信号层60将触发信号分别发送给第一波束成形芯片20与第二波束成形芯片，分别实现触发第一波束成形芯片20与第二波束成形芯片，第一波束成形芯片20与第二波束成形芯片被触发后进行相关动作。

具体而言，第一波束成形芯片20设有的第一控制管脚24可以为一个、两个或其它数量，不进行限定。本实施例中，第一波束成形芯片20的第一控制管脚24为两个，其中一个第一控制管脚24例如为TDD(Test-Driven Development，测试驱动开发)切换控制引脚，实现对TDD信号的时分切换控制。另一个第一控制管脚24例如为SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)控制引脚，实现对芯片的配置，包括相位控制、幅度控制、功率检测、温度补偿等。第二波束成形芯片的第二控制管脚与第一波束成形芯片20的类似设置，不进行赘述。

需要说明的是，控制信号层60根据实际布线情况，设置为一层、两层、三层或其它数量，不进行限定具体层数。在本实施例中，图2中示意出的控制信号层60为两层。同一个控制信号层60既可以布置第一控制线路61与第二控制线路62，当然，也可以将第一控制线路61与第二控制线路62分别布置在两个控制信号层60中。可以理解的是，当控制信号层60为两层时，两层控制信号层60之间设有高频介质材料。

请参阅图1、图2及图6，图6示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的电源平面层70的结构示意图。进一步地，多层电路板还包括电源平面层70。第一波束成形芯片20还设有电源管脚25。第二波束成形芯片还设有电源管脚25。电源管脚25与电源平面层70的电源面71电性连接。需要说明的是，第一波束成形芯片20的电源管脚25为一个、两个、三个、四个或其它数量，数量不进行限制。第二波束成形芯片的电源管脚25设置方式类似于第一波束成形芯片20，不进行赘述。本实施例中，图1中示意出的第一波束成形芯片20的电源管脚25为四个，该四个电源管脚25接入的电源电压相同。第二波束成形芯片的电源管脚25同样为四个。

请再参阅图2与图5，图5示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第二地层81的结构示意图。在一个实施例中，多层电路板还包括第二地层81、第三地层82及第四地层83。辐射单元层10、第二地层81、电源平面层70、第三地层82、控制信号层60、第四地层83、第一射频线路层30、第一地层40及第二射频线路层50从上至下依次叠层设置。第一波束成形芯片20与第二波束成形芯片设置于第二射频线路层50上。如此，第二地层81作为辐射单元层10的参考地层，为辐射单元层10提供参考地平面，以期实现天线单元的辐射特性。第二地层81与第三地层82分别位于电源平面层70的两侧，实现电源平面层70的隔离，防止电源平面层70和控制信号层60相互干扰，能避免对波束成形芯片的性能产生不利影响。第四地层83能实现控制信号层60与第一射频线路层30相互隔离。第一地层40能实现第一射频线路层30与第二射频线路层50相互隔离，也是第一射频线路层30、第二射频线路层50的参考地平面。

需要说明的是，第二地层81、第三地层82与第四地层83的结构相同，图5中示意出了第二地层81的结构。

请参阅图2，进一步地，多层电路板设置有若干个第一垂直互连金属化过孔91，与若干个第二垂直互连金属化过孔。若干个第一垂直互连金属化过孔91与若干个第一极化馈电盘12一一对应设置，第一垂直互连金属化过孔91由辐射单元层10贯穿到第一射频线路层30，第一垂直互连金属化过孔91的一端与第一极化馈电盘12电性连接，第一垂直互连金属化过孔91的另一端与第一一分N功分馈电线31的支路端312电性连接。若干个第二垂直互连金属化过孔与若干个第二极化馈电盘13一一对应设置，第二垂直互连金属化过孔由辐射单元层10贯穿到第一射频线路层30，第二垂直互连金属化过孔的一端与第二极化馈电盘13电性连接，第二垂直互连金属化过孔的另一端与第二一分N功分馈电线32的支路端322电性连接。

可以理解的是，为了避免第一垂直互连金属化过孔91与第二地层81、电源平面层70、第三地层82、控制信号层60及第四地层83的线路电性连接，第二地层81、电源平面层70、第三地层82、控制信号层60及第四地层83上设有绕第一垂直互连金属化过孔91周向设置的第一反焊盘92。同样地，第二地层81、电源平面层70、第三地层82、控制信号层60及第四地层83上设有绕第二垂直互连金属化过孔周向设置的第二反焊盘。

进一步地，多层电路板还设有若干个第三垂直互连金属化过孔93，与若干个第四垂直互连金属化过孔。第三垂直互连金属化过孔93由第一射频线路层30贯穿到第二射频线路层50，第三垂直互连金属化过孔93的一端与第一一分N功分馈电线31的合路端311，第三垂直互连金属化过孔93的另一端与第一射频信号输入输出管脚21电性连接。第四垂直互连金属化过孔由第一射频线路层30贯穿到第二射频线路层50，第四垂直互连金属化过孔的一端与第二一分N功分馈电线32的合路端321，第四垂直互连金属化过孔的另一端与第三射频信号输入输出管脚电性连接。

可以理解的是，为了避免第三垂直互连金属化过孔93与第一地层40的地平面电性连接，第一地层40上设有绕第三垂直互连金属化过孔93周向设置的第三反焊盘94。同样地，第一地层40上设有绕第四垂直互连金属化过孔周向设置的第四反焊盘。

进一步地，多层电路板还设有第五垂直互连金属化过孔95与第六垂直互连金属化过孔。第五垂直互连金属化过孔95由第二地层81贯穿到第二射频线路层50，第五垂直互连金属化过孔95的一端与第一控制线路61电性连接，第五垂直互连金属化过孔95的另一端与第一控制管脚24电性连接。第六垂直互连金属化过孔由第二地层81贯穿到第二射频线路层50，第六垂直互连金属化过孔的一端与第二控制线路62电性连接，第六垂直互连金属化过孔的另一端与第二控制管脚电性连接。

可以理解的是，为了避免第五垂直互连金属化过孔95与第二地层81、电源平面层70、第三地层82、第四地层83、第一射频线路层30及第一地层40的线路电性连接，第二地层81、电源平面层70、第三地层82、第四地层83、第一射频线路层30及第一地层40上设有绕第五垂直互连金属化过孔95周向设置的第五反焊盘96。同样地，第二地层81、电源平面层70、第三地层82、第四地层83、第一射频线路层30及第一地层40上设有绕第六垂直互连金属化过孔周向设置的第六反焊盘。

进一步地，多层电路板还设有若干个第七垂直互连金属化过孔97，第七垂直互连金属化过孔97由第二地层81贯穿到第二射频线路层50，电源平面层70的电源面71通过第七垂直互连金属化过孔97与接地管脚23电性连接。

请参阅图5至图9，可以理解的是，为了避免第七垂直互连金属化过孔97与第二地层81、第三地层82、控制信号层60、第四地层83及第一地层40的电路发生电性连接，第二地层81、第三地层82、第四地层83及第一地层40上均设有绕第七垂直互连金属化过孔97周向设置的第七反焊盘98。

请参阅图5至图9，此外，第七垂直互连金属化过孔97的数量不进行限定，例如可以一个、两个、三个、四个或其它数量，本实施例中示意出的为四个。进一步地，第二地层81、第三地层82、控制信号层60、第四地层83、第一射频线路层30及第一地层40上均设有第一供电面981，第七垂直互连金属化过孔97与第一供电面981电性连接。其中，第二地层81、第三地层82、第四地层83及第一地层40上的第七反焊盘98绕第一供电面981周向设置。如此，第一供电面981能实现四个第七垂直互连金属化过孔97之间相互电性导通，从而能实现电源面71与波束成形芯片的电源管脚25良性导通。

进一步地，多层电路板还设有若干个第八垂直互连金属化过孔991与若干个第九垂直互连金属化过孔992。第八垂直互连金属化过孔991由第二地层81贯穿到第一射频线路层30，第九垂直互连金属化过孔992由第一射频线路层30贯穿到第二射频线路层50，第八垂直互连金属化过孔991与第九垂直互连金属化过孔992电性连接。第一地层40、第二地层81、第三地层82及第四地层83均通过第八垂直互连金属化过孔991相互电性连接，第九垂直互连金属化过孔992与接地管脚23电性连接。

可以理解的是，为了避免第八垂直互连金属化过孔991与电源平面层70、控制信号层60的电路发生电性连接，可选地，电源平面层70与控制信号层60上设有绕第八垂直互连金属化过孔991周向设置的第八反焊盘995。当然，也可以不设置第八反焊盘995，只要第八垂直互连金属化过孔991经过电源平面层70、控制信号层60的电路时，避开电源平面层70、控制信号层60的电路即可。

请参阅图2、图5至图8，在一个实施例中，第一垂直互连金属化过孔91的外围绕设有多个间隔的第八垂直互连金属化过孔991。第二垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的第八垂直互连金属化过孔991。

进一步地，电源平面层70上均设有第二供电面996，第八垂直互连金属化过孔991与供电面电性连接。其中，第八反焊盘995绕第二供电面996周向设置，使得第二供电面996与电源面71相隔离开。如此，第二供电面996能实现五个第八垂直互连金属化过孔991之间相互电性导通，从而能实现第八垂直互连金属化过孔991与波束成形芯片的接地管脚23良性导通。控制信号层60上可以类似设置供电面，不进行赘述。

请参阅图2、图9及图10，图10示意出了本发明一实施例所述的毫米波封装天线的第二射频线路层50的结构示意图。第三垂直互连金属化过孔93的外围绕设有多个间隔的第九垂直互连金属化过孔992。第四垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的第九垂直互连金属化过孔992。

如此，第一垂直互连金属化过孔91及其外围绕设的多个间隔的第八垂直互连金属化过孔991，第二垂直互连金属化过孔及其外围绕设的多个间隔的第八垂直互连金属化过孔991，第三垂直互连金属化过孔93及其外围绕设的多个间隔的第九垂直互连金属化过孔992，第四垂直互连金属化过孔及其外围绕设的多个间隔的第九垂直互连金属化过孔992，均相当于同轴电缆，信号的传输更加稳定。

其中，图中示意出的第一垂直互连金属化过孔91的外围绕设的第八垂直互连金属化过孔991为5个，当然也可以为其它数量，在此不进行限定。图中示意出的第二垂直互连金属化过孔的外围绕设的第八垂直互连金属化过孔991为5个。图中示意出的第三垂直互连金属化过孔93的外围绕设的第九垂直互连金属化过孔992为4个，当然也可以为其它数量，在此不进行限定。图中示意出的第四垂直互连金属化过孔的外围绕设的第九垂直互连金属化过孔992为4个。

请再参阅图1、图2、图9及图10，第二射频线路层50中设有微带线127或者GCPW传输线，以微带线127为例进行说明。微带线127用于将第一射频信号输入输出管脚21与第三垂直互连金属化过孔，第三射频信号输入输出管脚与第四垂直互连金属化过孔电性连接。具体而言，其中四个微带线127将四个第一射频信号输入输出管脚21与四个第三垂直互连金属化过孔电性连接，另外四个微带线127将四个第三射频信号输入输出管脚与四个第四垂直互连金属化过孔电性连接。为了实现每路馈电的相位一致性，四路微带线127长度要求相等。

请再参阅图2，在一个实施例中，多层电路板还设有一阶金属化过孔993，一阶金属化过孔993由第一地层40贯穿到第二射频线路层50，第一地层40通过一阶金属化过孔993与接地管脚23电性连接。

在一个实施例中，第一垂直互连金属化过孔91和第二垂直互连金属化过孔的垂直过孔尺寸、第一反焊盘92与第二反焊盘的尺寸，需要采用电磁仿真工具，来完成优化设计。

请再参阅图2及图4，在一个实施例中，多层电路板还包括无金属布线层994。无金属布线层994位于辐射单元层10与第二地层81之间。如此，在辐射单元层10与第二地层81之间增加无金属布线层994，目的是为了增加辐射单元层10与第二地层81之间的距离，即增加辐射单元层10的参考地层的高度。

请再参阅图2、图4及图7，进一步地，无金属布线层994为两层，控制信号层60为两层，辐射单元层10、无金属布线层994、第二地层81、电源平面层70、第三地层82、控制信号层60、第四地层83、第一射频线路层30、第一地层40及第二射频线路层50的各个相邻层之间均设有高频介电材料。如此，能有利于实现多层电路板的顶面与底面为对称式结构，叠层加工时能避免出现翘曲的缺陷，保证产品质量。

请再参阅图2，进一步地，具体而言，将辐射单元层10到第二射频线路层50的各个相邻层之间的高频介电材料共有11层，分别依次记作为第一介质层101、第二介质层102、第三介质层103、第四介质层104、第五介质层105、第六介质层106、第七介质层107、第八介质层108、第九介质层109、第十介质层110及第十一介质层111。其中，第一介质层101的厚度与第十一介质层111的厚度相同，例如为3mil；第二介质层102的厚度与第十介质层110的的厚度相同，例如为3mil；第三介质层103与第九介质层109的厚度相同，例如为30mil；第四介质层104与第八介质层108的厚度相同，例如为3mil；第五介质层105与第七介质层107的厚度相同，例如为4mil；第六介质层106的厚度例如为3mil。

请参阅图2，具体而言，可以将第三介质层103到第一射频线路层30通过HDI工艺制作好，然后通过背钻工艺将第三介质层103内的第五垂直互连金属化过孔95、第六垂直互连金属化过孔、第七垂直互连金属化过孔97与第八垂直互连金属化过孔991去掉，其余层的仍然保留，如此，能避免第三介质层103内的第五垂直互连金属化过孔95、第六垂直互连金属化过孔、第七垂直互连金属化过孔97与第八垂直互连金属化过孔991的孔壁金属层影响到辐射单元层10的辐射性能。

请参阅图11至图12，图11示意出了本发明一实施例所述的阵列天线的辐射单元层10的结构示意图；图12示意出了本发明一实施例所述的阵列天线中第二射频信号输入输出管脚22、第四射频信号输入输出管脚连接到功分馈电网络中的结构示意图。在一个实施例中，一种阵列天线，包括两个以上上述任一实施例的毫米波封装天线。

上述的阵列天线，工作时，负责第一极化方向的第一波束成形芯片20的第一射频信号输入输出管脚21将第一极化方向射频信号例如输入到第一一分N功分馈电线31的合路端311，由第一一分N功分馈电线31的各个支路端312分别输送给多个第一极化馈电盘12，同样地，负责第二极化方向的第二波束成形芯片的第二射频信号输入输出管脚22将第二极化方向射频信号例如输入到第二一分N功分馈电线32的合路端321，由第二一分N功分馈电线32的各个支路端322分别输送给多个第二极化馈电盘13；负责第一极化方向的第一波束成形芯片20的第三射频信号输入输出管脚将第一极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层50，负责第二极化方向的第二波束成形芯片将第二极化方向射频信号例如输出到第二射频线路层50，由第二射频线路层50传输到外界装置。如此，便能够实现HDI设计的多层电路板的辐射单元层10的射频信号的输入输出。

请再参阅图3及图11，进一步地，本实施例采用一驱二子阵单元(如图11中虚线框P所示)，组成8×16的阵列天线。整个阵列天线呈长方形，阵列天线的长边如图11中示意的L1，L1的长度例如为80mm，阵列天线的短边如图11示意的L2，L2的长度例如为40mm。根据3D电磁仿真，该阵列天线的俯仰面波束指向可达到±15°，方位面波束指向可达到±60°。

请参阅图11及图12，进一步地，当本实施例采用一驱二子阵单元组成8×16的阵列天线时，阵列天线的第二射频线路层50相应设置有第一极化一分十六功分馈电合路网络121，与第二极化一分十六功分馈电合路网络122。第一极化一分十六功分馈电网络121与第二极化一分十六功分馈电网络122均可采用例如经典一分二威尔金森功分单元，通过级联的方式实现。第一极化一分十六功分馈电网络121的输出口和第一波束成形芯片20的第二射频信号输入输出管脚22相连，第二极化一分十六功分馈电网络122的输出口和第二波束成形芯片的第四射频信号输入输出管脚相连。每个极化方向采用16个波束成形芯片。

第一极化一分十六功分馈电网络121的射频馈电口123与第二极化一分十六功分馈电网络122的射频馈电口123，均可采用SMP插座(图中未示意出)，实现和外界装置的其它PCB板间互连，以此实现对辐射单元层10的馈电和信号接收。

请再参阅图12及图13，图13示意出了本发明一实施例所述的阵列天线中多个第一波束成形芯片20的布置结构示意图。在第二射频线路层50中还设有数字多针插座124，数字多针插座124上设有若干个连接焊盘125。内部控制走线(见图7)通过例如菊花链布线(示意图见图13)，通过垂直互连金属化过孔电性连接到连接焊盘125。通过数字多针插座124，可实现和外界装置的其它PCB板间互连，以此实现对天线模块的供电、逻辑控制等功能。

图13示意出了经典的菊花链布线互连示意图。S3是布线中相邻的第一波束成形芯片20间的距离；S4是菊花链主线126到第一波束成形芯片20的第一控制管脚24的距离，此距离尽可能缩短，改善信号完整性。在本实施多层电路板的设计中，由于控制信号时钟速率较高(90MHz)，本实施例为了避免信号完整性的问题，菊花链布线例如采用如图13所示的一串四结构。需要说明的是，菊花链主线126为第一控制线路61、第二控制线路62在第二射频线路层50上的投影。

本实施例的双极化毫米波相控阵列天线，仿真性能如下表所示：

8*16双极化相控阵列天线性能

本实施例的双极化相控阵列天线具有带宽宽、成本低、体积小、重量轻和工艺成熟的优点，可满足5G毫米波通信设备规模化市场需求。本实施例附图3到12以一驱二阵子阵单元构成的双极化阵列进行说明，但也可以是一驱一单阵子单元、一驱三阵子单元、一驱四阵子单元或一驱其它阵子阵单元构成的双极化阵列，在此不进行限定。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (11)

1.一种毫米波封装天线，其特征在于，所述毫米波封装天线包括多层电路板，所述多层电路板包括：

辐射单元层，所述辐射单元层设有若干个辐射振子片，与所述辐射振子片对应设置的两个第一极化馈电盘，及两个第二极化馈电盘；

负责第一极化方向的第一波束成形芯片，所述第一波束成形芯片设有第一射频信号输入输出管脚、第二射频信号输入输出管脚与接地管脚；

负责第二极化方向的第二波束成形芯片，所述第二波束成形芯片设有第三射频信号输入输出管脚、第四射频信号输入输出管脚与接地管脚；

依次叠置设置的第一射频线路层、第一地层及第二射频线路层，所述第一射频线路层与所述第一地层之间，所述第一地层与所述第二射频线路层之间均设有高频介质材料；所述第一射频信号输入输出管脚、所述第三射频信号输入输出管脚均电性连接到所述第一射频线路层，所述第一射频线路层分别与所述第一极化馈电盘、所述第二极化馈电盘电性连接；

所述第一地层与所述接地管脚电性连接；所述第二射频信号输入输出管脚、所述第四射频信号输入输出管脚均电性连接到所述第二射频线路层。

2.根据权利要求1所述的毫米波封装天线，所述第一射频线路层包括第一一分N功分馈电线，与第二一分N功分馈电线，所述第一射频信号输入输出管脚电性连接到所述第一一分N功分馈电线的合路端，所述第一一分N功分馈电线的多个支路端分别与多个所述第一极化馈电盘对应电性连接，所述第三射频信号输入输出管脚电性连接到所述第二一分N功分馈电线的合路端，所述第二一分N功分馈电线的多个支路端分别与多个所述第二极化馈电盘对应电性连接。

3.根据权利要求2所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板还包括控制信号层，所述控制信号层设有第一控制线路与第二控制线路，所述第一波束成形芯片还设有第一控制管脚，所述第一控制管脚与所述第一控制线路电性连接；所述第二波束成形芯片还设有第二控制管脚，所述第二控制管脚与所述第二控制线路电性连接。

4.根据权利要求3所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板还包括电源平面层；所述第一波束成形芯片还设有电源管脚，所述第二波束成形芯片还设有电源管脚，所述电源管脚与所述电源平面层的电源面电性连接。

5.根据权利要求4所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板还包括第二地层、第三地层及第四地层；所述辐射单元层、所述第二地层、所述电源平面层、所述第三地层、所述控制信号层、所述第四地层、所述第一射频线路层、第一地层及第二射频线路层从上至下依次叠层设置；所述第一波束成形芯片与所述第二波束成形芯片设置于所述第二射频线路层上。

6.根据权利要求5所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板设置有若干个第一垂直互连金属化过孔，与若干个第二垂直互连金属化过孔，若干个所述第一垂直互连金属化过孔与若干个第一极化馈电盘一一对应设置，所述第一垂直互连金属化过孔由所述辐射单元层贯穿到所述第一射频线路层，所述第一垂直互连金属化过孔的一端与所述第一极化馈电盘电性连接，所述第一垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一一分N功分馈电线的支路端电性连接；若干个所述第二垂直互连金属化过孔与若干个第二极化馈电盘一一对应设置，所述第二垂直互连金属化过孔由所述辐射单元层贯穿到所述第一射频线路层，所述第二垂直互连金属化过孔的一端与所述第二极化馈电盘电性连接，所述第二垂直互连金属化过孔的另一端与所述第二一分N功分馈电线的支路端电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第三垂直互连金属化过孔，与若干个第四垂直互连金属化过孔，所述第三垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第三垂直互连金属化过孔的一端与所述第一一分N功分馈电线的合路端，所述第三垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一射频信号输入输出管脚电性连接；所述第四垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第四垂直互连金属化过孔的一端与所述第二一分N功分馈电线的合路端，所述第四垂直互连金属化过孔的另一端与所述第三射频信号输入输出管脚电性连接；

所述多层电路板还设有第五垂直互连金属化过孔与第六垂直互连金属化过孔；所述第五垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第五垂直互连金属化过孔的一端与所述第一控制线路电性连接，所述第五垂直互连金属化过孔的另一端与所述第一控制管脚电性连接；所述第六垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第六垂直互连金属化过孔的一端与所述第二控制线路电性连接，所述第六垂直互连金属化过孔的另一端与所述第二控制管脚电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第七垂直互连金属化过孔，所述第七垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第二射频线路层，所述电源平面层的电源面通过所述第七垂直互连金属化过孔与所述接地管脚电性连接；

所述多层电路板还设有若干个第八垂直互连金属化过孔与若干个第九垂直互连金属化过孔，所述第八垂直互连金属化过孔由所述第二地层贯穿到所述第一射频线路层，所述第九垂直互连金属化过孔由所述第一射频线路层贯穿到所述第二射频线路层，所述第八垂直互连金属化过孔与所述第九垂直互连金属化过孔电性连接，所述第一地层、所述第二地层、所述第三地层及所述第四地层均通过所述第八垂直互连金属化过孔相互电性连接，所述第九垂直互连金属化过孔与所述接地管脚电性连接。

7.根据权利要求6所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述第一垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第八垂直互连金属化过孔，所述第二垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第八垂直互连金属化过孔，所述第三垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第九垂直互连金属化过孔，所述第四垂直互连金属化过孔的外围绕设有多个间隔的所述第九垂直互连金属化过孔。

8.根据权利要求6所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板还设有一阶金属化过孔，所述一阶金属化过孔由所述第一地层贯穿到所述第二射频线路层，所述第一地层通过所述一阶金属化过孔与所述接地管脚电性连接。

9.根据权利要求5所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述多层电路板还包括无金属布线层，所述无金属布线层位于所述辐射单元层与所述第二地层之间。

10.根据权利要求9所述的毫米波封装天线，其特征在于，所述无金属布线层为两层，所述控制信号层为两层，所述辐射单元层、所述无金属布线层、所述第二地层、所述电源平面层、所述第三地层、所述控制信号层、所述第四地层、所述第一射频线路层、所述第一地层及所述第二射频线路层的各个相邻层之间均设有高频介电材料。

11.一种阵列天线，其特征在于，包括两个以上如权利要求1～10任意一项所述的毫米波封装天线。

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