CN114336026A - 一种毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毫米波天线，包括第一基片、第二基片以及连接第一基片和第二基片之间的多个第一高铅柱和多个第二高铅柱；第一基片包括在靠近第二基片的第二表面上设置圆极化贴片天线，在远离第二基片的第一表面设置寄生贴片；第二基片包括在远离第一基片的第二表面上设置用于对圆极化贴片天线馈电的多个同轴馈电点，在靠近第一基片的第一表面上设置多个馈点焊盘、并通过设置在第二基片上的金属化通孔与同轴馈电点连接；在第二基片的上还设有多个贯穿其第一表面和第二表面的限位孔，限位孔环绕金属化通孔；且在第二基片的第一表面覆盖有接地图形，其中，接地图形避开限位孔和馈点焊盘。本发明能够提供的毫米波天线可以减少天线的损耗。

Description

一种毫米波天线

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种毫米波天线。

背景技术

随着5G技术的不断发展，圆极化贴片天线在卫星通信、GPS定位等方面得到广泛的应用。但是随时5G无线通信的不断发展，对天线的性能提出了越来越高的要求，如高增益、小型化、宽带宽及高辐射效率等。

然而传统的毫米波贴片天线通常采用微波多层PCB板或LTCC工艺制作而成，制成的贴片天线的辐射效率和相对带宽都较差。由于常规的微波匹配电路较复杂，其对介质层和介电常数都很敏感，且经过匹配后的贴片天线的相对带宽较窄、损耗较大，在实际应用中受到很大的限制。

因此，亟需一种匹配带宽较宽、损耗较小的毫米波天线。

发明内容

本发明实施例提供了一种毫米波天线，以解决目前贴片天线相对带宽较窄、损耗较大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种毫米波天线，包括：第一基片、第二基片以及连接第一基片和第二基片之间的多个第一高铅柱和多个第二高铅柱；

第一基片包括相对设置的第一表面和第二表面，在靠近第二基片的第二表面上设置圆极化贴片天线，在远离第二基片的第一表面设置寄生贴片；

第二基片包括相对设置的第一表面和第二表面，在远离第一基片的第二表面上设置用于对圆极化贴片天线馈电的多个同轴馈电点，在靠近第一基片的第一表面上设置多个馈点焊盘、并通过设置在第二基片上的金属化通孔与同轴馈电点连接；在第二基片的上还设有多个贯穿其第一表面和第二表面的限位孔，限位孔环绕金属化通孔；且在第二基片的第一表面覆盖有接地图形，其中，接地图形避开限位孔和馈点焊盘；

第一高铅柱连接在馈点焊盘与圆极化贴片天线之间，第二高铅柱一端限位于第二基片的限位孔内、另一端连接第一基片，在第一基片与第二基片之间形成空气背腔。

在一种可能的实现方式中，同轴馈电点包括4个，且4个同轴馈电点之间的相位分别相差90°，180°，270°；第二基片的第一表面对应设有4个馈点焊盘。

示例性的，在20GHz频段时，高铅柱的高度为1.5～2.5mm。

示例性的，在30GHz频段时，高铅柱的高度为1～1.5mm。

在一种可能的实现方式中，第一高铅柱设置在由第二高铅柱围设成的空气背腔内，空气背腔为圆柱形腔或直棱柱形腔。

在一种可能的实现方式中，第一高铅柱或第二高铅柱采用Pb80Sn20材料制作而成，且熔点温度大于280℃。

在一种可能的实现方式中，第一基片或第二基片的材质为石英基片、陶瓷基片或PCB板。

示例性的，第一基片为石英基片，且石英基片的厚度为0.2～0.5mm；

第二基片为陶瓷基片，且陶瓷基片的厚度为0.2～0.5mm。

在一种可能的实现方式中，第二基片的第二表面还设有多个BGA焊球，BGA焊球包括与同轴馈电点连接的信号焊球和与接地图形连接的接地焊球。

在一种可能的实现方式中，第一基片上的寄生贴片和圆极化贴片天线，第二基片上的接地图形和同轴馈电点均采用薄膜或厚膜工艺制备而成。

本发明实施例提供一种毫米波天线，通过在圆极化贴片天线和同轴馈电点之间设置第一高铅柱，实现贴片天线的激励，便于实现优异的宽带宽角度天线轴比。且在第二基片上表面四周的第二高铅柱和第二基片上表面的大面积的接地图形共同形成空气背腔，从而使空气介质填充在空气背腔中。由于空气介质对微波信号几乎没有损耗，因此可以减少天线辐射的能量在介质中的损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种毫米波天线的平面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种毫米波天线的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种毫米波天线的透视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种毫米波天线的高铅柱结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种毫米波天线在27～31GHz的回波损耗S11数据图；

图6是本发明实施例提供的一种毫米波天线大角度扫描下的增益数据图；

图7是本发明实施例提供的一种毫米波天线在大角度扫描下的轴比数据图；

图8是本发明实施例提供的一种毫米波天线辐射的电场分布图。

图中，10-石英基片，11-圆极化贴片天线，12-寄生贴片；20-陶瓷基片，21-馈点焊盘，22-同轴馈电点，30-高铅柱，31-第一高铅柱，32-第二高铅柱，40-BGA焊球。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

如背景技术所描述的，因为PCB基板或LTCC基板因其介质固有的损耗角正切影响，天线辐射中能量易在介质中损耗，进而造成辐射效率差，同时由于基板介电常数高，不易向空气中辐射耦合，因此微波匹配电路复杂，对介质层厚和介电常数敏感，且匹配后的天线的相对带宽较窄。因此，亟需一种匹配带宽较宽、损耗较小的毫米波天线。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种毫米波天线。下面对其进行详细的介绍。

该毫米波天线包括：第一基片、第二基片以及连接第一基片和第二基片之间的多个第一高铅柱和多个第二高铅柱。

其中，第一基片包括相对设置的第一表面和第二表面。在靠近第二基片的第二表面上设置有圆极化贴片天线，在远离第二基片的第一表面上设置有寄生贴片。

上述第二基片包括相对设置的第一表面和第二表面。在远离第一基片的第二表面上设置有用于对圆极化贴片天线馈电的多个同轴馈电点，在靠近第一基片的第一表面上设置有多个馈点焊盘、并通过设置在第二基片上的金属化通孔与同轴馈电点连接。在第二基片上还设有多个贯穿其第一表面和第二表面的限位孔，限位孔环绕金属化通孔。且在第二基片的第一表面覆盖有接地图形，其中，接地图形避开限位孔和馈点焊盘。

具体的，第一高铅柱连接在馈点焊盘与圆极化贴片天线之间，第二高铅柱的一端限位于第二基片的限位孔内、另一端连接第一基片，在第一基片与第二基片之间形成空气背腔。

具体的，在第二基片的四周边缘均设有限位孔，第二高铅柱限位在限位孔内，围设在第二基片的四周，可以起到信号屏蔽的作用，且还可以使得天线圆极化特性得以优化。

第一高铅柱和第二高铅柱均为市场标准原材料，可大批量供应，不需要特殊工艺制备。且当第一基片和第二基片为不同材质时，不同材质的基片之间会存在应力失配，高铅柱可以起到缓冲过渡的作用。热膨胀不匹配的材料之间通过高铅柱互联，可靠性会更高。

可选的，第一高铅柱或第二高铅柱采用Pb80Sn20材料制作而成，且熔点温度大于280℃。

具体的，第一高铅柱设置在由第二高铅柱围设成的空气背腔内，空气背腔为圆柱形腔或直棱柱形腔。第一高铅柱围成的环形或矩形腔，且与第二基片的第一表面的大面积的接地图形即可将天线下方围成完整的空气背腔。空气介质对微波信号几乎没有损耗，可以极大提升天线的辐射效率。同时空气介质是现有各种材料中相对介电常数最低的，可以大大提升贴片天线的匹配带宽，降低匹配电路复杂度，提升贴片天线增益。

可选的，在20GHz频段时，高铅柱的高度为1.5～2.5mm。在30GHz频段时，高铅柱的高度为1～1.5mm。高铅柱具备优异的延展性，刚度较小，且抬升高度高于0.5mm。使石英基片和陶瓷基片能够再星载外太空快速温变环境中能够承受频繁的热应力失配。

为了使的圆极化贴片天线具有更好的性能，可在第二基片的第二表面设置4个同轴馈电点，对贴片天线进行激励，便于实现优异的宽带宽角度天线轴比。且4个同轴馈电点之间的相位分别相差90°，180°，270°。相应的，第二基片的第一表面对应设置4个馈点焊盘。4个同轴馈电点通过金属化通孔与4个馈点焊盘连接，并通过金属化通孔内的第一高铅柱与圆极化贴片天线连接，从而可以激励天线。

第二基片的第二表面设置的大面积的接地图形，可用于形成天线的大面积射频参考地，可以保证能量向正上方辐射，实现天线定向辐射。

其中，第一基片上的寄生贴片和圆极化贴片天线，第二基片上的接地图形和同轴馈电点均采用薄膜或厚膜工艺制备而成。本发明通过半导体或薄膜光刻工艺以及大规模SMT焊接，即可实现生产的自动化和批量化生成，且高铅柱、陶瓷、石英、PCB板均属于常用电路材料，成本低。

一些实施例中，为了进一步提高天线的性能，对天线进行信号激励，还可以在第二基片的第二表面设置多个BGA焊球，BGA焊球包括与同轴馈电点连接的信号焊球和与接地图形连接的接地焊球，用于与射频通道的射频互联。

可选的，第一基片或第二基片的材质为石英基片、陶瓷基片或PCB板。

一些实施例中，由于PCB基板或LTCC基板因其介质固有的损耗角正切影响，天线辐射中能量易在介质中损耗，进而造成辐射效率差。石英基片是一种低介电常数超低损耗角正切的光洁毫米波基板，相比传统PCB材料或LTCC材料制作的贴片天线，进一步提升天线辐射效率。第一基片可以为石英基片，且石英基片的厚度为0.2～0.5mm。第二基片可以为陶瓷基片，且陶瓷基片的厚度为0.2～0.5mm。石英基片和陶瓷基片均为无机材料，适用于星载低剖面相控阵天线，具有低剖面和轻薄的特点。相比于有机PCB多层基板制作的天线，具有极好的耐原子氧能力，星载使用长期可靠性更好，并可降低星载天线重量。

本发明提供的毫米波天线，通过在圆极化贴片天线和同轴馈电点之间设置第一高铅柱，实现贴片天线的激励，便于实现优异的宽带宽角度天线轴比。且在第二基片上表面四周的第二高铅柱和第二基片上表面的大面积的接地图形共同形成空气背腔，从而使空气介质填充在空气背腔中。由于空气介质对微波信号几乎没有损耗，因此可以减少天线辐射的能量在介质中的损耗。

请一并参照图1-图4，图中示出了一种毫米波天线。该毫米波天线包括石英基片10、陶瓷基片20，以及连接石英基片10和陶瓷基片20之间的多个高铅柱30，高铅柱30包括4个第一高铅柱31和多个第二高铅柱32。

具体的，石英基片10的厚度为0.2～0.5mm，在石英基片10的表面采用薄膜或厚膜工艺，进行双面图形加工，形成石英基片10第二表面上设置的圆极化贴片天线11图形和第一表面上设置的寄生贴片12图形。

陶瓷基片20的厚度为0.2～0.5mm，在远离石英基片10的第二表面上打孔并金属化后形成金属化通孔后，用薄膜或厚膜工艺，进行双面图形加工，形成陶瓷基片20的第二表面上功分馈线微带电路，形成用于对圆极化贴片天线11馈电的4个同轴馈电点。4个同轴馈电点22之间的相位分别相差90°，180°，270°。在陶瓷基片20的第一表面上设置4个馈点焊盘21、并通过设置在陶瓷基片20上的金属化通孔与同轴馈电点22连接。

在陶瓷基片20上还设有多个贯穿其第一表面和第二表面的限位孔，限位孔环绕金属化通孔。且在陶瓷基片20的第一表面覆盖有大面积的接地图形，其中，接地图形避开限位孔和馈点焊盘21。在陶瓷基片20的第二表面还设有多个BGA焊球40。

第一高铅柱31连接在馈点焊盘21与圆极化贴片天线11之间，第二高铅柱32一端限位于陶瓷基片20的限位孔内、另一端连接石英基片10，第二高铅柱32在石英基片10与第陶瓷基片20之间围设形成圆柱形或直棱柱形的空气背腔。具体的，在20GHz频段时，高铅柱30的高度为1.5～2.5mm。在30GHz频段时，高铅柱30的高度为1～1.5mm。

图5-图8为上述毫米波天线的相关测试图，从图中可以看出：该天线具有较好的有源驻波比，石英基板和空气背腔都具有极低的介质损耗，从图6中天线增益看出，本发明提供的毫米波天线相比传统PCB贴片天线具有更高的辐射效率。采用4馈点激励，在27-31GHz的毫米波宽带内，可以实现良好的大角度轴比，典型的轴比小于3dB@±50°扫描角，特别适合作为通信卫星用相控阵中的天线阵元，能够使相控阵系统满足天线圆极化轴比要求的前提下，保持较少的增益衰减，以提升大角度扫描能力。

图5中可以看出该天线具备较好的宽带特性，适合毫米波宽带系统应用。

图6中，该天线大角度下增益损失小于3dB，具有较好的大角度扫描能力，可以用于大角度扫描的相控阵系统中。

图7中，该天线大角度下在±50度下，轴比小于2.6，轴比是圆极化天线的关键特性，有助于系统抗干扰，理论上越接近0dB越好。从图7中可以看出该天线在大角度工作下的轴比指标较好。常规天线0°法向较好，大角度往往迅速恶化导致大角度应用受限，可以用于大角度扫描的圆极化特性的通信相控阵系统中。

图8为该天线辐射的电场分布图，可以看出该天线增益具有较好的空间辐射对称性。不存在某些方向增益过高，天线方向图空间对称是最佳状态。

通过在圆极化贴片天线和同轴馈电点之间设置第一高铅柱，实现贴片天线的激励，便于实现优异的宽带宽角度天线轴比。且在第二基片上表面四周的第二高铅柱和第二基片上表面的大面积的接地图形共同形成空气背腔，从而使空气介质填充在空气背腔中。由于空气介质对微波信号几乎没有损耗，因此可以减少天线辐射的能量在介质中的损耗。

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 (10)

1.一种毫米波天线，其特征在于，包括：第一基片、第二基片以及连接所述第一基片和所述第二基片之间的多个第一高铅柱和多个第二高铅柱；

所述第一基片包括相对设置的第一表面和第二表面，在靠近所述第二基片的第二表面上设置圆极化贴片天线，在远离所述第二基片的第一表面设置寄生贴片；

所述第二基片包括相对设置的第一表面和第二表面，在远离所述第一基片的第二表面上设置用于对所述圆极化贴片天线馈电的多个同轴馈电点，在靠近所述第一基片的第一表面上设置多个馈点焊盘、并通过设置在所述第二基片上的金属化通孔与所述同轴馈电点连接；在所述第二基片上还设有多个贯穿其第一表面和第二表面的限位孔，所述限位孔环绕所述金属化通孔；且在所述第二基片的第一表面覆盖有接地图形，其中，所述接地图形避开所述限位孔和所述馈点焊盘；

所述第一高铅柱连接在所述馈点焊盘与所述圆极化贴片天线之间，所述第二高铅柱一端限位于所述第二基片的限位孔内、另一端连接所述第一基片，在所述第一基片与所述第二基片之间形成空气背腔。

2.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述同轴馈电点包括4个，且4个所述同轴馈电点之间的相位分别相差90°，180°，270°；所述第二基片的第一表面对应设有4个所述馈点焊盘。

3.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，在20GHz频段时，所述高铅柱的高度为1.5～2.5mm。

4.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，在30GHz频段时，所述高铅柱的高度为1～1.5mm。

5.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一高铅柱设置在由所述第二高铅柱围设成的空气背腔内，所述空气背腔为圆柱形腔或直棱柱形腔。

6.如权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一高铅柱或第二高铅柱采用Pb80Sn20材料制作而成，且熔点温度大于280℃。

7.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一基片或所述第二基片的材质为石英基片、陶瓷基片或PCB板。

8.如权利要求7所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一基片为石英基片，且所述石英基片的厚度为0.2～0.5mm；

所述第二基片为陶瓷基片，且所述陶瓷基片的厚度为0.2～0.5mm。

9.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二基片的第二表面还设有多个BGA焊球，所述BGA焊球包括与所述同轴馈电点连接的信号焊球和与所述接地图形连接的接地焊球。

10.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一基片上的寄生贴片和圆极化贴片天线，所述第二基片上的接地图形和同轴馈电点均采用薄膜或厚膜工艺制备而成。

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