CN115425387B - 可扩充高密度互连封装天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，涉及有源天线技术领域。本发明公开了一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，在单个高密度互连板中设计实现辐射结构、口径变换、控制电路、射频和控制互连接口。将T/R组件射频端口和控制端口与所述高密度互连板底部互连接口连接，形成高密度互连有源天线单元模块，利用多个所述单元模块拼接即可实现高密度互连有源天线阵列。在单个低剖面高密度互连封装天线模块内集成了辐射结构、口径变换、控制电路、对外接口等功能，具有高度集成性，相较于传统可扩充有源天线，兼顾了天线性能和体积，大幅度减小了体积，同时降低了成本。

Description

可扩充高密度互连封装天线及其阵列
技术领域
本发明涉及有源天线技术领域，具体涉及一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列。
背景技术
随着雷达和通信技术的发展，特别是近年来5G技术和低轨卫星技术的快速发展，对可扩充、高集成有源天线及其阵列的需求愈发迫切。
传统可扩充有源天线通常由天线阵面模块、可扩充有源阵列模块和子阵网络构成，由于各子模块分离设计，使得有源天线整体尺寸较大、集成度较低。例如，现有技术提出的一种可扩充有源天线中，包含了天线列线源、有源阵列模块、子阵网络和反射冷板等子模块，每个子模块均包含输入输出连接器和独立的壳体，导致有源天线整体体积较大、集成度低(蔡香伟，束峰涛，“某机载雷达有源天线结构设计”，科学创新技术，2021(19)：5-6)。
鉴于此，有必要提供一种整体尺寸更小、集成度更高的有源天线及其阵列。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，解决了有源天线整体尺寸较大、集成度较低的技术问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种可扩充高密度互连封装天线，在多层高密度互连板中设计封装天线，包括无源天线层、口径变换层、控制电路层和接口层；
所述无源天线层位于天线的最顶层，包括辐射结构、馈电结构和天线金属地层；
其中，所述馈电结构一端与辐射结构相连，另一端向口径交换层延伸；所述天线金属地位于无源天线层的下表面；
所述口径变换层位于无源天线层下方，包括水平口径变换结构、水平金属屏蔽孔或柱、垂直口径变换结构和垂直金属屏蔽孔或柱；
其中，所述水平口径变换结构一端与馈电结构相连，一端与垂直口径变换结构相连，所述垂直口径变换结构向接口层延伸；所述水平金属屏蔽孔或柱在水平口径变换结构的周围排布，所述垂直金属屏蔽孔或柱在垂直口径变换结构的周围排布；
所述控制电路层位于无源天线层下方，与所述与口径变换层复用部分层级，包括控制电路金属地层、控制电路和共面金属地；
其中，所述控制电路金属地层位于控制电路层的上表面；所述控制电路位于控制电路层的内部，两端分别向接口层延伸；所述共面金属地位于控制电路层的内部，分层排布在所述控制电路、垂直口径变换结构以外的区域；
所述接口层位于天线的最底层，包括第一焊盘接口、第二焊盘接口、第三焊盘接口、第四焊盘接口、第五焊盘接口和保留金属地；
其中，所述第一焊盘接口位于垂直口径变换结构末端，与T/R组件射频端口相连；所述第二焊盘接口位于控制电路的一端，与T/R组件控制端口相连；所述第三焊盘接口位于控制电路的另一端，用于输入外部控制信号；所述第四焊盘接口与T/R组件控制地相连；所述第五焊盘接口与T/R组件射频总口相连；所述保留金属地位于接口层的下表面。
优选的，所述辐射结构采用单层辐射结构，或者由主辐射结构和寄生辐射结构共同组成的形式；
优选的，所述馈电结构为探针直接馈电、探针转带条耦合馈电或者探针转环形耦合馈电形式。
优选的，所述辐射结构的具体形式为蝶形振子、平面偶极子、椭圆振子或者微带贴片天线平面天线形式。
优选的，各个所述水平金属屏蔽孔或柱在水平口径变换结构的周围密集排布。
优选的，相邻所述水平金属屏蔽孔或柱之间的中心距离为2～4倍孔/柱直径。
优选的，各个所述垂直金属屏蔽孔或柱在垂直口径变换结构的周围呈圆环状密集排布。
优选的，相邻所述垂直金属屏蔽孔或柱的角度间隔为30～60°。
优选的，所述可扩充高密度互连封装天线的有源驻波小于3的工作带宽为23.3～28.7GHz频段，所述多层高密度互连板的剖面厚度不大于0.2个任一频段对应的工作波长。
一种可扩充高密度互连封装天线阵列，包括若干如权利要求1～8任一项所述的可扩充高密度互连封装天线，各个所述可扩充高密度互连封装天线之间矩形栅格排列。
优选的，所述矩形栅格排列规模为2*2、4*4或者8*8。
(三)有益效果
本发明提供了一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明公开了一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，在单个高密度互连板中设计实现辐射结构、口径变换、控制电路、射频和控制互连接口。将T/R组件射频端口和控制端口与所述高密度互连板底部互连接口连接，形成高密度互连有源天线单元模块，利用多个所述单元模块拼接即可实现高密度互连有源天线阵列。在单个低剖面高密度互连封装天线模块内集成了辐射结构、口径变换、控制电路、对外接口等功能，具有高度集成性，相较于传统可扩充有源天线，兼顾了天线性能和体积，大幅度减小了体积，同时降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为本发明实施提供的一种可扩充高密度互连封装天线的层级结构示意图；
图2为本发明实施提供的一种可扩充高密度互连封装天线的轴侧视图；
图3为本发明实施提供的一种由可扩充高密度互连封装天线扩展而成的4*4单元阵列天线的俯视图；
图4为本发明实施提供的一种由可扩充高密度互连封装天线扩展而成的4*4单元阵列天线的仰视图；
图5为本发明实施提供的一种可扩充高密度互连封装天线的有源驻波示意图；
图6为为本发明实施提供的一种由可扩充高密度互连封装天线扩展而成的4*4单元阵列天线的扫描方向图。
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，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。
本申请实施例通过提供一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，解决了有源天线整体尺寸较大、集成度较低的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
针对现有有源天线整体尺寸较大、集成度较低的技术缺陷，申请人意识到兼顾天线性能和集成性的封装天线技术(Antenna-in-Package，AiP)，可用于微波、雷达及通信等领域。
目前，基于PCB工艺、陶瓷工艺(包含低温共烧陶瓷LTCC和高温共烧陶瓷HTCC)、高密度互连工艺(High Density Interconnector，HDI)和玻璃工艺的封装天线先后被提出。其中，HDI工艺(相比于PCB工艺、陶瓷工艺)微尺度加工能力较强、(相比于玻璃工艺和HTCC工艺)成本较低，使得基于高密度互连工艺的封装天线在雷达、通信等领域、特别是在高频段具有广阔的应用前景。
具体的，本发明实施例公开了一种可扩充高密度互连封装天线及其阵列，在单个高密度互连板中设计实现辐射结构、口径变换、控制电路、射频和控制互连接口。将T/R组件射频端口和控制端口与所述高密度互连板底部互连接口连接，形成高密度互连有源天线单元模块，利用多个所述单元模块拼接即可实现高密度互连有源天线阵列。
本发明具有高度可扩展特性，能够根据应用需求，通过简单拼接，即可扩展为所需规模的阵列天线；具有高度集成性，相较于传统可扩充有源天线，兼顾了天线性能和体积，大幅度减小了体积，同时降低了成本；具有较低的损耗，本发明中组件射频输出端口与天线底部射频接口直接相连，射频链路较短且避免了射频连接器的使用，降低了损耗，提升了天线效率。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
如图1～2所示，本发明实施例提供了一种可扩充高密度互连封装天线，在多层高密度互连板中设计封装天线，包括无源天线层1、口径变换层2、控制电路层3和接口层4。
如图1所示，所述无源天线层1位于天线的最顶层，用于电磁信号的发射和接收；所述无源天线层1包括辐射结构11、馈电结构12和天线金属地层13；
其中，所述馈电结构12用于实现电磁信号的发射和接收，即用于对辐射结构11进行激励；所述馈电结构12的一端与辐射结构11相连，另一端向口径交换层2延伸；所述天线金属地13位于无源天线层1的下表面。
如图1所示，所述口径变换层2位于无源天线层1下方，用于实现天线馈电结构11和射频接口之间的互连和模式变换；所述口径变换层2包括水平口径变换结构21、水平金属屏蔽孔或柱22、垂直口径变换结构23和垂直金属屏蔽孔或柱24；
其中，如图3～4所示，所述水平口径变换结构21一端与馈电结构12相连，一端与垂直口径变换结构23相连，所述垂直口径变换结构23向接口层4延伸；所述水平金属屏蔽孔或柱22在水平口径变换结构21的周围排布，所述垂直金属屏蔽孔或柱24在垂直口径变换结构23的周围排布。
如图1所示，所述控制电路层3位于无源天线层1下方，用于实现控制接口和外部控制信号输入端口间高保真互连；所述控制电路层3与所述与口径变换层2复用部分层级，以提升天线单元集成性，包括控制电路金属地层31、控制电路32和共面金属地33；
其中，所述控制电路金属地层31位于控制电路层3的上表面；所述控制电路32位于控制电路层3的内部，两端分别向接口层4延伸；所述共面金属地33位于控制电路层3的内部，用于降低电路中控制信号与射频信号和其他控制信号间耦合干扰，提高信号完整性，分层排布在所述控制电路32、垂直口径变换结构23以外的区域。
如图1所示，所述接口层4位于天线的最底层，用于与T/R组件和外部控制设备互连；所述接口层4包括第一焊盘接口41、第二焊盘接口42、第三焊盘接口43、第四焊盘接口44、第五焊盘接口45和保留金属地46；
其中，如图4所示，所述第一焊盘接口41位于垂直口径变换结构23末端，与T/R组件射频端口相连；所述第二焊盘接口42位于控制电路32的一端，与T/R组件控制端口相连；所述第三焊盘接口43位于控制电路32的另一端，用于输入外部控制信号；所述第四焊盘接口44与T/R组件控制地相连；所述第五焊盘接口45与T/R组件射频总口相连；所述保留金属地46位于接口层4的下表面，同时也作为口径变换层2和控制电路层3的最底层金属地，以提升信号完整性。
在一可选的实施例中，所述辐射结构11采用单层辐射结构，或者由主辐射结构和寄生辐射结构共同组成的形式，所述辐射结构11的具体形式可以为蝶形振子、平面偶极子、椭圆振子或者微带贴片天线平面天线形式。
在一可选的实施例中，所述馈电结构12为探针直接馈电、探针转带条耦合馈电或者探针转环形耦合馈电形式。
为了进一步降低其他射频电路和控制电路引起的耦合和干扰，在一可选的实施例中，各个所述水平金属屏蔽孔或柱22在水平口径变换结构21的周围密集排布；相邻所述水平金属屏蔽孔或柱22之间的中心距离为2～4倍孔/柱直径。在一可选的实施例中，各个所述垂直金属屏蔽孔或柱24在垂直口径变换结构23的周围呈圆环状密集排布；相邻所述垂直金属屏蔽孔或柱24的角度间隔为30～60°。
在一可选的实施例中，所述可扩充高密度互连封装天线的有源驻波小于3的工作带宽为23.3～28.7GHz频段，覆盖了整个5G毫米波通信频段24.25～27.5GHz；所述多层高密度互连板的剖面厚度不大于0.2个任一频段对应的工作波长。
实施例2：
如图3～4所示，本发明实施例提供了一种可扩充高密度互连封装天线阵列，其特征在于，包括若干实施例1所提供任一可扩充高密度互连封装天线，各个所述可扩充高密度互连封装天线之间矩形栅格排列；所述矩形栅格排列规模优选为2*2、4*4或者8*8。
示例性的，根据上文的介绍，给定如下应用于5G通信的可扩充高密度互连封装天线阵列，其矩形栅格排列规模为4*4。
其中，单个可扩充高密度互连封装天线共由14层金属层和13层介质层构成，总厚度仅2.2mm(取工作波长为11mm，且多层高密度互连板的剖面厚度为0.2个的工作波长)。
自上而下，如图1～2所示，所述无源天线层1包含顶部7层金属层和6层介质层，辐射结构11由叠层的两个蝶形贴片振子构成，馈电结构12由两根平行的金属柱构成，其上侧分别与下层蝶形贴片振子两侧相连，其下侧分别连接下方的口径变换结构和天线金属地14。
所述口径变换层2位于无源天线层1下方，包括8层金属层和7层介质层，其中最上层金属层与天线金属地14复用。
所述控制电路层3位于无源天线层1下方，由控制电路金属地层31、控制电路32和共面金属地33组成，与口径变换层2复用部分层级，包括6层金属层和5层介质层，其中最上层金属层为控制电路地层31。
所述接口层4位于天线的最底层，T/R组件通过BGA贴装在所述接口层4图4中的附图标记47表示为接口层的外围BGA焊盘区域，即可实现可扩充、高集成的有源天线。
如图5所示，所述应用于5G通信的可扩充高密度互连封装天线有源驻波小于3的工作带宽为23.3～28.7GHz频段，覆盖了整个5G毫米波通信频段24.25～27.5GHz。
如图6所示，所述天线阵列可以实现±60°的大角度扫描，。
上述结果证明了本发明实施例可以在非常低的剖面厚度限制下，集成无源天线和有源电路，实现毫米波5G通信频段宽带宽角辐射能力，兼顾了高集成度、高可扩展性和优异的电磁性能，具有广泛的应用价值。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明具有高度可扩展特性，能够根据应用需求，通过简单拼接，即可扩展为所需规模的阵列天线；
2、具有高度集成性，相较于传统可扩充有源天线，兼顾了天线性能和体积，大幅度减小了体积，同时降低了成本；
3、具有较低的损耗，本发明中组件射频输出端口与天线底部射频接口直接相连，射频链路较短且避免了射频连接器的使用，降低了损耗，提升了天线效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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)

1.一种可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，在多层高密度互连板中设计封装天线，包括无源天线层(1)、口径变换层(2)、控制电路层(3)和接口层(4)；
所述无源天线层(1)位于天线的最顶层，包括辐射结构(11)、馈电结构(12)和天线金属地层(13)；
其中，所述馈电结构(12)一端与辐射结构(11)相连，另一端向口径变换层(2)延伸；所述天线金属地层(13)位于无源天线层(1)的下表面；
所述口径变换层(2)位于无源天线层(1)下方，包括水平口径变换结构(21)、水平金属屏蔽孔或柱(22)、垂直口径变换结构(23)和垂直金属屏蔽孔或柱(24)；
其中，所述水平口径变换结构(21)一端与馈电结构(12)相连，一端与垂直口径变换结构(23)相连，所述垂直口径变换结构(23)向接口层(4)延伸；所述水平金属屏蔽孔或柱(22)在水平口径变换结构(21)的周围排布，所述垂直金属屏蔽孔或柱(24)在垂直口径变换结构(23)的周围排布；
所述控制电路层(3)位于无源天线层(1)下方，与所述口径变换层(2)复用部分层级，包括控制电路金属地层(31)、控制电路(32)和共面金属地(33)；
其中，所述控制电路金属地层(31)位于控制电路层(3)的上表面；所述控制电路(32)位于控制电路层(3)的内部，两端分别向接口层(4)延伸；所述共面金属地(33)位于控制电路层(3)的内部，分层排布在所述控制电路(32)、垂直口径变换结构(23)以外的区域；
所述接口层(4)位于天线的最底层，包括第一焊盘接口(41)、第二焊盘接口(42)、第三焊盘接口(43)、第四焊盘接口(44)、第五焊盘接口(45)和保留金属地(46)；
其中，所述第一焊盘接口(41)位于垂直口径变换结构(23)末端，与T/R组件射频端口相连；所述第二焊盘接口(42)位于控制电路(32)的一端，与T/R组件控制端口相连；所述第三焊盘接口(43)位于控制电路(32)的另一端，用于输入外部控制信号；所述第四焊盘接口(44)与T/R组件控制地相连；所述第五焊盘接口(45)与T/R组件射频总口相连；所述保留金属地(46)位于接口层(4)的下表面。
2.如权利要求1所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，
所述辐射结构(11)采用单层辐射结构，或者由主辐射结构和寄生辐射结构共同组成的形式；
和/或所述馈电结构(12)为探针直接馈电、探针转带条耦合馈电或者探针转环形耦合馈电形式。
3.如权利要求1所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，所述辐射结构(11)的具体形式为蝶形振子、平面偶极子、椭圆振子或者微带贴片天线平面天线形式。
4.如权利要求1所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，各个所述水平金属屏蔽孔或柱(22)在水平口径变换结构(21)的周围密集排布。
5.如权利要求4所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，相邻所述水平金属屏蔽孔或柱(22)之间的中心距离为2～4倍孔/柱直径。
6.如权利要求1所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，各个所述垂直金属屏蔽孔或柱(24)在垂直口径变换结构(23)的周围呈圆环状密集排布。
7.如权利要求6所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，相邻所述垂直金属屏蔽孔或柱(24)的角度间隔为30～60°。
8.如权利要求1～7任一项所述的可扩充高密度互连封装天线，其特征在于，所述可扩充高密度互连封装天线的有源驻波小于3的工作带宽为23.3～28.7GHz频段，所述多层高密度互连板的剖面厚度不大于0.2个任一频段对应的工作波长。
9.一种可扩充高密度互连封装天线阵列，其特征在于，包括若干如权利要求1～8任一项所述的可扩充高密度互连封装天线，各个所述可扩充高密度互连封装天线之间矩形栅格排列。
10.如权利要求9所述的可扩充高密度互连封装天线阵列，其特征在于，所述矩形栅格排列规模为2*2、4*4或者8*8。
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