CN113871821B - 基于ipd技术的宽带小型化移相器及高增益gps天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于IPD技术的宽带小型化移相器及高增益GPS天线。IPD移相器芯片包括芯片地板、芯片介质、电容、电感，该芯片包含高通通路和低通通路。所述高通通路为参考状态，包括第一电容、第四电容、第一电感、第二电感、第一芯片焊盘、第三芯片焊盘、第一接地过孔。所述低通通路为相移状态，包括第二电容、第三电容、第三电感、第四电感、第二芯片焊盘、第四接地焊盘、第二至四接地过孔。第三电容和第三电感实现一个并联的LC谐振器。本发明IPD移相器添加一个并联的LC谐振器，来控制相位斜率，从而达到更大带宽上与参考状态的稳定相位差，同时回波损耗也得到改善，并保持较小的插入损耗。

Description

基于IPD技术的宽带小型化移相器及高增益GPS天线

技术领域

本发明属于射频器件技术领域，具体涉及一种基于IPD技术的宽带小型化移相器及高增益GPS天线。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)在导航、定位、自动驾驶等方面发挥了关键作用。随着GPS的不断发展，对该GPS天线提出的更高的要求，GPS频段主要包括GPS L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)频段。当前被广泛采用的GPS天线主要为单频天线，采用高介电常数的陶瓷介质制作，部分双频GPS天线设计是将两个频段的天线堆叠。目前的设计主要有以下问题：首先是当前GPS天线仍然以单频设计为主，定位精度有限；其次是GPS天线主要介质采用陶瓷制作，成本较高，堆叠形式的双频GPS 天线成本增加更加显著，这严重限制了双频GPS天线的广泛使用；最后是非陶瓷介质的 GPS天线如PCB、四臂螺旋等形式的天线尺寸较大，不利于GPS的小型化。

目前GPS天线实现圆极化的方式主要有两种：一是通过设置两馈点或者多馈点馈电方式来实现；二是设置单馈点，通过改变贴片的形状，实现不同的谐振模式来达到圆极化。单馈点微带天线具有不易实现圆极化、阻抗带宽及轴比带宽较窄的特点，而用多馈点的方法，需要添加多个电桥实现移相，会进一步增加成本。双馈点或多馈点天线需要采用电桥来实现，常用的陶瓷工艺电桥、微带线路电桥、阻容感电桥具有尺寸较大的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于针对背景技术中所提到的移相器尺寸较大，成本较高的问题，提供一种低成本小型化集成无源器件(Integrated Passive Device，IPD)移相器，是通过在IPD移相器加入一个并联的LC谐振器，来控制相位斜率，从而在更大带宽上实现稳定相位差，同时回波损耗也得到改善。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于IPD技术的宽带小型化移相器，包括：芯片、封装外壳、封装地板、封装焊盘、键合线；芯片位于封装地板上方，被封装外壳包围，封装外壳起到保护和支撑作用。

所述芯片包括芯片地板、芯片介质、以及电容、电感，其中所述电容、电感位于芯片介质的顶部。该芯片包含高通通路和低通通路。所述高通通路为参考状态，包括第一电容、第四电容、第一电感、第二电感、第一芯片焊盘、第三芯片焊盘、第一接地过孔。所述低通通路为相移状态，包括第二电容、第三电容、第三电感、第四电感、第二芯片焊盘、第四接地焊盘、第二至四接地过孔。

第一芯片焊盘通过微带线与第一电容的一端、第二电容的一端、第一电感的一端、第四电感的一端连接，第二芯片焊盘通过微带线与第三电容的一端、第三电感的一端、第四电感的另一端连接，第三芯片焊盘通过微带线与第四电容的一端连接；第一电感的另一端通过微带线与第二电感的一端连接后接第一接地过孔，第二电感的另一端通过微带线与第一电容的另一端、第四电容的另一端连接，第三电感的另一端通过微带线接第二接地过孔，第二电容的另一端通过微带线接第三接地过孔，第三电容的另一端通过微带线接第四接地过孔。

第三电容和第三电感实现一个并联的LC谐振器，可以通过控制相位斜率在更大带宽上实现稳定的相位差，同时改善回波损耗。

芯片上的第三芯片焊盘通过第一键合线与第一封装焊盘相连；第二芯片焊盘通过第二键合线与第二封装焊盘相连；第一芯片焊盘通过第三键合线与第三封装焊盘相连。第三封装焊盘为移相器的输入端口，第一、二封装焊盘为移相器的输出端口。

移相器的工作原理为射频信号经第三封装焊盘进入IPD移相器芯片，在IPD移相器芯片中信号分为幅度相等，相位差90°的两路信号，其中第二封装焊盘的输出信号相位滞后于第一封装焊盘的输出信号90°，实现移相功能。

芯片焊盘和封装焊盘可根据具体需求进行适当增加。

本发明的另一个目的是针对GPS天线性能差、成本高、尺寸大的问题，提供一种利用上述IPD移相器设计的小型化高增益GPS天线，能够同时覆盖GPS双频段，采用印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计，具有成本低、易加工、重量轻的优点，并通过优化实现天线小型化并具有较高增益。通过基于IPD移相器的设计，避免电桥的使用，有效减少移相电路占用空间，并降低了成本。通过双馈点实现圆极化，既能保证较宽的带宽，又能减少移相器的使用数量。

一种利用上述IPD移相器设计的小型化高增益GPS天线包括：

天线单元；

IPD移相器，位于天线单元的底部；

用于连接天线单元和IPD移相器的微带互连线；

用于接收射频信号的微带互连线；

其中：

所述用于接收射频信号的微带互连线接IPD移相器的输入端口；用于连接天线单元和IPD移相器的微带互连线分别接IPD移相器的两个输出端口；

所述天线单元包括天线介质板、天线辐射单元、天线地板、用于连接天线辐射单元和天线地板的接地柱以及馈电柱。

所述天线辐射单元包括位于天线介质板上表面的顶部辐射金属贴片、位于天线介质板下表面的底部辐射金属贴片；其中顶部辐射金属贴片、底部辐射金属贴片通过金属化过孔连接；

所述顶部辐射金属贴片包括2个馈电贴片、4个寄生枝节单元，其中2个馈电贴片位于4个寄生枝节单元围合成的封闭结构内部。4个寄生枝节单元关于天线辐射单元中心呈中心对称。4个寄生枝节单元通过接地柱与天线地板连接。2个馈电贴片分别通过馈电柱经微带互连线接IPD移相器的两个输出端口。

所述寄生枝节单元包括折叠状第一寄生枝节、直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节，且折叠状第一寄生枝节位于直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节两者间的位置；

所述底部辐射金属贴片包括辐射贴片、4根耦合枝节；辐射贴片开有4个中心对称的槽，且该槽内各自放置一耦合枝节，该耦合枝节通过接地柱与天线地板连接；辐射贴片开有馈电孔，该馈电孔内贯穿馈电柱，且馈电柱与辐射贴片不接触。

上述耦合枝节和寄生枝节的主要作用为调节天线的谐振频率，并控制天线的圆极化轴比。

作为优选，两个馈电贴片中心线相互垂直。

作为优选，耦合枝节和寄生枝节的长度无要求，但需要沿着天线介质板边缘分布。

作为优选，天线辐射单元、天线介质板采用PCB工艺制作。

作为优选，接地柱位于天线辐射单元的边缘，每条边有两根，四条边共8根。

工作原理如下：天线通过微带互连线馈电，射频信号通过微带互连线进入IPD移相器芯片，在IPD移相器芯片中信号分为幅度相等，相位差90°的两路信号，其中第二封装焊盘的输出信号相位滞后于第三封装焊盘的输出信号90°。第二封装焊盘的输出信号通过第三微带互连线连接到天线第二馈电柱。第一封装焊盘的输出信号通过第二微带互连线连接到天线第一馈电柱。

因此在天线两个馈电贴片实现90°相位差，其中第二馈电贴片上的信号滞后第一馈电贴片上的信号90°，天线实现右旋圆极化。由于天线是双频带设计，IPD移相器的宽带设计能够同时覆盖天线的两个频段，因此在GPS天线双频段上都能够实现圆极化。本发明的有益效果为：

(1)同时覆盖GPS L1和L2双频段，提高GPS定位精度；

(2)采用PCB天线的设计，具有成本低、易加工、重量轻的优点；

(3)采用IPD设计的移相器替换电桥，降低成本；

(4)IPD移相器添加一个并联的LC谐振器，来控制相位斜率，从而达到更大带宽上与参考状态的稳定相位差，同时回波损耗也得到改善，并保持较小的插入损耗。

(5)采用双馈点设计，既能保证较宽的带宽，又能减少移相器的使用数量。

附图说明

图1为GPS天线整体结构示意图；

图2为IPD移相器结构示意图；

图3为IPD移相器中芯片结构示意图；

图4为天线单元结构示意图；

图5为天线辐射单元顶层金属结构示意图；

图6为天线辐射单元底层金属结构示意图；

图7为天线回波损耗结果图；

图8为天线增益结果图；

图9为天线轴比结果图；

图10为天线辐射方向图。

图11为移相器各端口S参数结果图。

图12为移相器两个输出端口的相位差结果图。

具体实施方式

为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。

如图1所示，一种小型化高增益GPS天线，主要包括IPD移相器1、三根微带互连线3和天线单元2。所述IPD移相器1位于天线单元2的底部，IPD移相器1通过微带互连线3和天线单元2相连。所述三根微带互连线3包括第一微带互连线31、第二微带互连线32、第三微带互连线33。

如图2所示，所述IPD移相器包括芯片11、封装外壳12、封装地板13、第一封装焊盘141、第二封装焊盘142、第三封装焊盘143、第一键合线151、第二键合线152、第三键合线153。芯片11位于封装地板13上方，被封装外壳12包围，封装外壳12起到保护和支撑作用。

如图3所示，所述芯片11包括芯片地板110、芯片介质111、第一芯片焊盘1121、第二芯片焊盘1122、第三芯片焊盘1123、第一电容1131、第二电容1132、第三电容 1133、第四电容1134、第一电感1141、第二电感1142、第三电感1143、第四电感1144、第一接地过孔1151、第二接地过孔1152、第三接地过孔1153、第四接地过孔1154。电容、电感位于芯片介质111的顶部。

该芯片包含两条通路，第一条高通通路为参考状态，电路结构如下：第一焊盘1121通过微带线与第一电容1131、第四电容1134和第三芯片焊盘1123串联。第一电感1141 一端通过微带线连接在第一焊盘1121和第一电容1131之间，另一端连接到第一接地过孔1151上。第二电感1142一端通过微带线连接在第一电容1131和第四电容1134之间，另一端连接到第一接地过孔1151上。

第二条低通通路为相移状态，电路结构如下：第二电容1132通过微带线与第三接地过孔1153相连。第四电感1144一端通过微带线连接在第一电容1131和第二电容1132 之间，另一端连接到第二焊盘1122上。第三电容1133通过微带线一端连接到第四电感 1144和第二焊盘1122中间，另一端连接到第四接地焊盘1154上。第三电感1143通过微带线一端连接到第四电感1144和第二焊盘1122中间，另一端连接到第二接地焊盘 1151上。第三电容1133和第三电感1143实现一个并联的LC谐振器，可以通过控制相位斜率在更大带宽上实现稳定的相位差，同时改善回波损耗。

如图2所示，所述第一键合线151的一端与芯片11上的第三芯片焊盘1123连接，另一端与第一封装焊盘141相连；所述第二键合线152的一端与芯片11上的第二芯片焊盘1122连接，另一端与第二封装焊盘142相连；所述第三键合线153的一端与芯片 11上的第一芯片焊盘1121连接，另一端与第三封装焊盘143相连。

如图11所示，移相器回波损耗在-15dB以下，S₂₁和S₃₁在-3.2dB左右。如图12所示，移相器两个输入端口之间的相位差为90±1°，具有良好的性能。

如图4所示，所述天线单元2包括天线辐射单元20、天线介质板21、天线地板22、第一馈电柱231、第二馈电柱232、接地柱24。接地柱位于天线辐射单元20的边缘，每条边有两根，四条边共8根。

如图5所示，所述天线辐射单元20顶部金属贴片包含第一馈电贴片2041、第二馈电贴片2042、第一寄生枝节2051、第二寄生枝节2052、第三寄生枝节2053、第四寄生枝节2054。所述第一寄生枝节2051、第二寄生枝节2052、第三寄生枝节2053、第四寄生枝节2054关于天线辐射单元20中心对称。所述接地柱24底部和天线地板22连接，顶部和第一寄生枝节2051、第二寄生枝节2052、第三寄生枝节2053、第四寄生枝节2054 连接。第一寄生枝节2051、第二寄生枝节2052、第三寄生枝节2053、第四寄生枝节2054 结构相同，均包括折叠状第一寄生枝节、直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节，且折叠状第一寄生枝节位于直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节两者间的位置；

第一馈电贴片2041、第二馈电贴片2042分别接第一馈电柱231、第二馈电柱232。第一馈电柱231、第二馈电柱232分别通过第二微带互连线32、第三微带互连线33接第一封装焊盘141、第二封装焊盘143。

如图6所示，所述天线辐射单元20底部金属贴片包含辐射贴片201、第一馈电孔2031、第二馈电孔2032、第一耦合枝节2021、第二耦合枝节2022、第三耦合枝节2023、第四耦合枝节2024。辐射贴片201开有4个中心对称的位于顶角处的槽，且4个槽内分别放置第一耦合枝节2021、第二耦合枝节2022、第三耦合枝节2023、第四耦合枝节 2024。每根耦合枝节与接地柱接触；辐射贴片开有馈电孔，用于防止馈电柱与辐射贴片接触。且耦合枝节和寄生枝节通过金属化过孔连接。

上述耦合枝节和寄生枝节的主要作用为调节天线的谐振频率，并控制天线的圆极化轴比。

工作原理为，天线通过第一微带互连线31馈电，射频信号通过第一微带互连线31进入IPD移相器芯片1，在IPD移相器芯片1中信号分为幅度相等，相位差90°的两路信号，其中第二封装焊盘142的输出信号相位滞后于第三封装焊盘143的输出信号90°。第二封装焊盘142的输出信号通过第三微带互连线33连接到天线第二馈电柱232。第一封装焊盘141的输出信号通过第二微带互连线32连接到天线第一馈电柱231。因此在天线第一馈电贴片2041和第二馈电贴片2042实现90°相位差，其中第二馈电贴片 2042上的信号滞后第一馈电贴片2041上的信号90°，天线实现右旋圆极化。

如图7所示，天线的回波损耗在L1和L2两个频段内都小于-12dB。如图8所示，带内的最大辐射增益在L1频段能够达到4.0dBi，在L2频段能够达到3.2dBi。如图9 所示，两个频段中心频点轴比均小于3dB。如图10所示，天线具有良好的全向特性。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带小型化IPD移相器，其特征在于包括：芯片、封装外壳、封装地板、封装焊盘、键合线；芯片位于封装地板上方，被封装外壳包围；

所述芯片包括芯片地板、芯片介质、电容、电感，其中所述电容、电感位于芯片介质的顶部；该芯片包含高通通路和低通通路；所述高通通路为参考状态，包括第一电容、第四电容、第一电感、第二电感、第一芯片焊盘、第三芯片焊盘、第一接地过孔；所述低通通路为相移状态，包括第二电容、第三电容、第三电感、第四电感、第二芯片焊盘、第四接地焊盘、第二至四接地过孔；

第一芯片焊盘通过微带线与第一电容的一端、第二电容的一端、第一电感的一端、第四电感的一端连接，第二芯片焊盘通过微带线与第三电容的一端、第三电感的一端、第四电感的另一端连接，第三芯片焊盘通过微带线与第四电容的一端连接；第一电感的另一端通过微带线与第二电感的一端连接后接第一接地过孔，第二电感的另一端通过微带线与第一电容的另一端、第四电容的另一端连接，第三电感的另一端通过微带线接第二接地过孔，第二电容的另一端通过微带线接第三接地过孔，第三电容的另一端通过微带线接第四接地过孔；第三电容和第三电感实现一个并联的LC谐振器；

芯片上的第三芯片焊盘通过第一键合线与第一封装焊盘相连；第二芯片焊盘通过第二键合线与第二封装焊盘相连；第一芯片焊盘通过第三键合线与第三封装焊盘相连；第三封装焊盘为移相器的输入端口，第一、二封装焊盘为移相器的输出端口。

2.如权利要求1所述的一种宽带小型化IPD移相器，其特征在于射频信号经第三封装焊盘进入IPD移相器芯片，在IPD移相器芯片中信号分为幅度相等，相位差90°的两路信号，其中第二封装焊盘的输出信号相位滞后于第一封装焊盘的输出信号90°。

3.一种小型化高增益GPS天线，其特征在于包括：

天线单元；

如权利要求1或2所述的一种宽带小型化IPD移相器，位于天线单元的底部；

用于连接天线单元和IPD移相器的微带互连线；

用于接收射频信号的微带互连线。

4.如权利要求3所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于所述天线单元包括天线介质板、天线辐射单元、天线地板、用于连接天线辐射单元和天线地板的接地柱以及馈电柱。

5.如权利要求4所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于所述天线辐射单元包括位于天线介质板上表面的顶部辐射金属贴片、位于天线介质板下表面的底部辐射金属贴片；其中顶部辐射金属贴片、底部辐射金属贴片通过金属化过孔连接。

6.如权利要求5所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于所述顶部辐射金属贴片包括2个馈电贴片、4个寄生枝节单元，其中2个馈电贴片位于4个寄生枝节单元围合成的封闭结构内部；4个寄生枝节单元关于天线辐射单元中心呈中心对称；4个寄生枝节单元通过接地柱与天线地板连接；2个馈电贴片分别通过馈电柱经微带互连线接IPD移相器的两个输出端口。

7.如权利要求6所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于所述寄生枝节单元包括折叠状第一寄生枝节、直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节，且折叠状第一寄生枝节位于直线状第二寄生枝节、直线状第三寄生枝节两者间的位置。

8.如权利要求5所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于所述底部辐射金属贴片包括辐射贴片、4根耦合枝节；辐射贴片开有4个中心对称的槽，且该槽内各自放置一耦合枝节，该耦合枝节通过接地柱与天线地板连接；辐射贴片开有馈电孔，该馈电孔内贯穿馈电柱，且馈电柱与辐射贴片不接触。

9.如权利要求5所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于两个馈电贴片中心线相互垂直。

10.如权利要求4所述的一种小型化高增益GPS天线，其特征在于天线辐射单元、天线介质板采用PCB工艺制作。

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