CN112952365B - 贴片天线单元以及封装天线结构 - Google Patents

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Abstract

一种贴片天线单元以及封装天线结构，所述贴片天线单元包括：衬底基板；多层贴片，堆叠形成于所述衬底基板上，所述多层贴片的相邻两层贴片之间具有隔离层，适于产生射频电磁场，所述多层贴片中的至少一层的边缘形状为连续、平滑的函数曲线形状，且同一贴片的每个边的形状均为相同的函数曲线形状，因此，可以增加阻抗带宽的同时保持天线结构的对称性，符合基板工艺的要求，从而增加了封装天线结构的工作带宽。

Description

贴片天线单元以及封装天线结构
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种贴片天线单元以及封装天线结构。
背景技术
第五代通信技术(5-th)新空口标准定义了多个毫米波频段，例如频段N258和N257在中美日韩欧洲等地区的总和为24.25-29.5GHz，相对其中心频率的带宽约为20％；如果要兼容全球不同地区的规定频段就需要宽带天线。综合毫米波移动通信的各种技术需求，如图1所示，现有技术采用收发芯片(TRX RFIC)与天线阵列集成的封装天线(Antenna inPackage，AiP)形式，最有利于实现毫米波前端单芯片或模组的功能与性能，并应用于移动终端和各种小型化设备。现有的AiP技术使用贴片(patch)天线作为平面阵列的单元，现有的封装天线结构包括基板、基板上方的多层贴片(M1-M6)和多层电解质隔离层(D1-D6)。
通常贴片天线相对带宽在5％左右，多层厚衬底贴片天线带宽一般也不超过15％，如图2所示，现有的封装天线结构在27GHz以下的频段，其回波损失特性较差，难以兼容全球不同地区的频段。此外天线带宽随衬底厚度增加而增加，因此现有技术采用多层复杂的衬底基板，有的封装天线还在天线单元下制作空气腔，这需要特殊工艺，成本高而且射频性能不理想，难以满足当今移动终端纤薄的工业设计要求。
因此，需要一种新的贴片天线单元以及封装天线结构，以提升天线带宽、并降低成本。
发明内容
为提升天线带宽、降低制造成本，本发明实施例提供一种贴片天线单元，包括：衬底基板或印刷电路板；多层贴片，堆叠形成于所述衬底基板或所述印刷电路板上，所述多层贴片的相邻两层贴片之间具有隔离层，适于产生射频电磁场；所述多层贴片中的至少一层的边缘形状为函数曲线形状。
可选地，同一贴片的每个边的边缘形状均为相同的函数曲线形状。
可选地，同一贴片的一对对边的边缘形状为相同的函数曲线形状。
可选地，不同叠层的贴片的每个边的形状为不同的函数曲线形状。
可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为三角函数曲线。
可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为：y＝Acos(n·2π·x/W)；其中，W为原矩形贴片的边长，A为预设曲线延伸的幅度，n为曲线随贴片边缘变化的周期数。
可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为：y＝Asin(n·2π·x/W)；其中，W为原矩形贴片的边长，A为预设曲线延伸的幅度，n为曲线随贴片边缘变化的周期数。
可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为抛物线。
可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为双曲线。
本发明实施例还提供了一种封装天线结构，包括所述贴片天线单元，还包括：探针，适于向多个所述贴片天线单元中的底层贴片馈电；收发芯片，通过所述探针与多个所述贴片天线单元电连接，适于接收或发送预设频率范围内的信号。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
在本发明实施例中，贴片天线单元包括：衬底基板；多层贴片，堆叠形成于所述衬底基板上，所述多层贴片的相邻两层贴片之间具有隔离层，适于产生射频电磁场，所述多层贴片中的至少一层的边缘形状为连续、平滑的函数曲线形状，且同一贴片的每个边的形状均为相同的函数曲线形状，因此，可以增加阻抗带宽的同时保持天线结构的对称性，符合基板工艺的要求，从而增加了封装天线结构的工作带宽。
进一步，不同叠层的贴片的每个边的形状为不同的函数曲线形状，由此可以产生多个谐振模式，增加工作带宽，通过函数的形式确定贴片边缘的形状也给制造商更多设计自由度以助于优化天线的各项性能。
附图说明
图1是现有技术中的一种封装天线结构的结构示意图；
图2是现有技术中的一种封装天线结构的宽带阻抗特性示意图；
图3是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的总体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的局部结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的局部结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的局部结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种封装天线结构的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的宽带阻抗特性示意图；以及
图9是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的宽带增益特性示意图。
具体实施方式
参考图3，图3是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的总体结构示意图。
所述贴片天线单元采用多层贴片叠层，包括：衬底基板或印刷电路板；以及多层贴片，所述多层贴片堆叠形成于所述衬底基板或所述印刷电路板上，所述多层贴片的相邻两层贴片之间具有隔离层，适于产生射频电磁场，所述多层贴片中的至少一层的边缘形状为函数曲线形状。在本实施例中，以多层贴片所述多层贴片堆叠形成于衬底基板10上为例进行说明。
图3所示的贴片天线单元中的贴片层数为两层，为第一贴片11与第二贴片12。此外，图3还示出了第一探针21，第二探针22，以及分别与之相连的第一馈线31以及第二馈线32。
需要注意的是，本实施例中双探针的设置可以满足天线双极化的需求。因此，同一贴片的每个边的边缘形状均为相同的函数曲线形状。在另外一些实施例中，若仅需实现单极化，则在封装天线结构中仅需设置一个探针，且同一贴片的一对对边的边缘形状为相同的函数曲线形状即可。同时，上述设计也可以保持天线结构的对称性，符合基板工艺的要求。
在现有技术中，根据微带贴片天线的腔体或传输线模型，贴片的阻抗与辐射等性能取决于辐射边缘的电场分布形成的等效磁流，通常增加衬底厚度可以有效提高天线阻抗带宽。然而毫米波频段厚衬底可能带来较大的表面波损耗，并且在AiP中为满足芯片封装的各项要求作为衬底的基板厚度h一般不得超过λ0的十分之一。因此限制了使用增加衬底厚度增加天线带宽的方法。
在本发明实施例中，所述多层贴片的每个边的边缘形状被设计为函数曲线形状，所述函数曲线为连续、平滑的函数曲线，通过上述设计，有效地扩展了辐射边缘的切向电场分布，增强其对辐射的产生贡献，从而增加了天线带宽可以增加贴片天线单元的阻抗带宽。通过优化选取的函数参数可以控制辐射边缘正交方向的场使其不产生较大的交叉极化分量。而以上工作机理改变了单纯依靠增加衬底厚度或使用价格较贵的低介电常数材料增加带宽的现有技术，并且不在阵列平面内增加寄生单元而节省了面积。
在具体实施中，所述函数曲线形状对应的函数曲线为三角函数曲线。在一些实施例中，所述函数曲线形状对应的函数曲线还可以是抛物线或双曲线。
在一些实施例中，不同叠层的贴片的每个边的形状为不同的函数曲线形状。例如，在一个实施例中，所述贴片天线单元可以包括两层贴片，这两层贴片的边缘形状可以分别为抛物线和双曲线。
通过在不同的叠层上使用不同的函数曲线构成贴片边缘的形状，可以产生多重谐振模式，这些模式在较为平滑连续的曲线情况下接近简并，即谐振频率接近从而增加了贴片单元的带宽；同时这样的结构仍然可以保持很好的对称性，有利于同时双极化或圆极化的实现。
具体的，结合参考图4、图5以及图6，图4、图5及图6均为本发明实施例提供的一种贴片天线单元的局部结构示意图。
图4示出了所述贴片天线单元的基板10，第一探针21，第二探针22，以及分别与之相连的第一馈线31以及第二馈线32。
在具体实施中，所述第一馈线31以及所述第二馈线32与封装天线结构中的收发芯片的端口连接，设置于基板10的下方；基板10上表面还设置有一层金属地平面，可以作为贴片的接地反射面，此外，还起到隔离馈线寄生辐射的作用，减小了对阵列波束的影响，同时，所述金属地平面也减小了天线对收发芯片的耦合干扰。
在图5中，所述第一探针21和第二探针22分别与位于底层的第一贴片11电连接，并向所述第一贴片11馈电，激励起射频电磁场。
在一些实施例中，所述第一贴片11的每个边的形状相同，对应的函数曲线为：
y＝Acos(n·2π·x/W)
其中，W为原矩形贴片的边长，A为预设曲线延伸的幅度，n为曲线随贴片边缘变化的周期数。
通过函数的形式确定贴片边缘的形状可以给制造商更多设计自由度以助于优化天线的各项性能。
如图6所示，位于上层的第二贴片12的每个边的形状相同，对应的函数曲线为：
y＝Asin(n·2π·x/W)
其中，W为原矩形贴片的边长，A为预设曲线延伸的幅度，n为曲线随贴片边缘变化的周期数。
在一些实施例中，所述第二贴片12不与所述第一探针21与所述第二探针直接连接，而是由下层的第一贴片11耦合馈电。
参考图7，本发明实施例还提供了一种封装天线结构，包括多个所述贴片天线单元(400-4nn)，还包括：探针(400a-4nna)，适于向多个所述贴片天线单元(400-4nn)中的底层贴片馈电；以及收发芯片500，通过所述探针(400a-4nna)与多个所述贴片天线单元(400-4nn)电连接，适于接收或发送预设频率范围内的信号。
在一些实施例中，所述底层贴片的数量并不限于1。在一些实施例中，所述收发芯片500放置于所述封装天线的最下方，通过焊块与其上方的基板连接。在具体实施中，所述收发芯片500可以放在封装天线中基板的任意一侧，且其放置位置可以为基板中心，也可以为相对于基板中心的其他位置，本发明对所述收发芯片的具体位置不作限定。
参考图8，图8是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的宽带阻抗特性示意图。
图8示出了所述封装天线结构在所述第一探针和所述第二探针对应的极化方向上的宽带阻抗特性，在图8中，横坐标为所述封装天线结构的工作频率，纵坐标为回波损耗。具体地，在24.25-29.5GHz的频段上，相较现有技术，所述封装天线结构有较好的宽带阻抗特性，其回波损耗幅值不超过-9dB。
参考图9，是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的宽带增益特性示意图。
图9示出了所述封装天线结构在所述第一探针和所述第二探针对应的极化方向上的宽带增益特性，在图9中，横坐标为所述封装天线结构的工作频率，纵坐标为回波损耗。具体地，在24.25-29.5GHz的频段上，相较现有技术，所述封装天线结构有较好的宽带增益特性，其辐射增益不低于5.6dB。
因此，所述封装天线结构在该频段有较好的宽带阻抗特性和宽带增益特性，从而增加了工作带宽，可以满足用户终端在频段N258和N257上的通信需求。
在一些实施例中，所述封装天线结构也可以满足24-300GHz频段上的通信需求，并相较现有技术有更好的性能。
在满足上述性能指标的前提下，所述封装天线结构中的多层基板结构的层数可以设计为小于6层，所述封装天线结构中的多层基板结构的总厚度可以设计为小于0.75毫米，从而可以满足纤薄封装需求。
如上文所述，在本发明实施例所提供的封装天线结构，在贴片口径边缘使用函数曲线结构有效地在平面方向扩展了口径场分布，并在叠层的不同层口径使用不同阶的函数曲线，在不增加衬底基板厚度的情况下展宽了天线单元的带宽；使纤薄低成本封装天线结构达到约20％工作带宽且同时高隔离度的双极化工作模式，满足覆盖全球频段与极化分集的要求。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (2)

1.一种贴片天线单元，包括：
衬底基板或印刷电路板；
多层贴片，堆叠形成于所述衬底基板或所述印刷电路板上，所述多层贴片的相邻两层贴片之间具有隔离层，适于产生射频电磁场；
其特征在于，所述多层贴片中的至少一层的边缘形状对应的函数曲线为双曲线；
其中，同一层贴片的边缘形状对应相同的函数曲线，不同叠层贴片的边缘形状对应不同的函数曲线。
2.一种封装天线结构，其特征在于，包括多个权利要求1所述的贴片天线单元，还包括：
探针，适于向多个所述贴片天线单元中的底层贴片馈电；
收发芯片，通过所述探针与多个所述贴片天线单元电连接，适于接收或发送预设频率范围内的信号。
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