CN115458897A - 应用于sip射频模组的小型高性能全向天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线。本发明基于测试地和SIP射频模组，利用3mm*8mm的较小净空区，在多层走线的基础上，通过调节金属线上的电流分布，调整不同位置金属线的宽度改变其阻抗从而改良各金属线的电流强度，达到降低金属线间的耦合干扰，提高天线性能的效果。上下层走线的主要辐射单元平行排列，通过过孔连接上下走线。走线距地平面的位置设置巧妙，从而降低感应电流的抵消作用。引入L型的匹配网络用于调节天线的输入阻抗，实现良好匹配，串联的小电阻通过对增益的略微衰减，实现对带宽的有效拓宽。本发明满足小尺寸全向天线宽带宽、高性能的设计要求，可应用于SIP射频模组，灵活可调，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于可应用于系统级封装(System In Package，SIP)射频模组的蓝牙天线技术领域，涉及一种应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，尤其是一种采用电流引导技术的小型高性能全向天线在SIP射频模组上的应用。
背景技术
随着无线通信技术的飞快发展，越来越多的现代化产品对产品尺寸和成本价格提出了更高的要求。特别是在消费类电子产品中，在保证工作性能的同时，尺寸有着严格的指标。随着“后摩尔时代”制程技术逐渐走向瓶颈，业界日益寄希望于通过系统级IC封装(SIP)技术来实现产品尺寸小型化，即将封装工艺各个功能模块集成在一个封装内，成为可提供多种功能的单颗标准封装元件。SIP技术被广泛应用在物联网等领域，是当前半导体行业新的一种技术发展趋势。SIP射频模组得益于该技术的支撑，在智能三表、智慧停车、环境监测等领域得到了广泛的应用，由于射频模组内有着一定尺寸高度集成的数模信号处理部分，以及不断增加的多功能传感器模块，留给天线设计的净空区在不断缩小。对于蓝牙频段的小尺寸天线，带宽是一个最难实现的指标，传统意义的三维结构技术虽然可实现天线尺寸的小型化，但是由于耦合干扰严重，致使其-10dB阻抗带宽无法覆盖蓝牙全频段，并且增益性能、辐射效率很难满足设计需求。故如何利用有限的设计空间，使得天线在满足预计工作频段的同时，具有良好的增益、效率等工作性能，具有极其重要的研究价值和实用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出了一种应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，具体是一种采用电流引导技术实现在WIFI频段上小型化、高性能的全向天线。需要在18*30mm2的测试地平面上，利用较小的净空区(3*8mm2)实现满足工作在蓝牙频段的全向天线，另外，天线的介质基板采用的是低廉的FR4材料。天线的工作频段需要覆盖2.4～2.48GHz，在该频段内需满足S11<-10dB，另外天线的工作效率要达到50％以上，还需要具有较好的全向辐射特性。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，包括：
介质基板、天线主体(3)、天线馈电端(4)、匹配网络(5)、馈线(27)；
所述天线主体(3)位于净空区(7)；
所述的天线馈电端(4)和匹配网络(5)位于SIP射频模组的数模信号处理部分(6)内；天线馈电端(4)通过匹配网络(5)、馈线(27)向天线主体(3)馈电；
所述的天线主体(3)的走线通过过孔在介质基板上下表面实现电流引导，所述的走线和过孔包括：第一短金属线(8)、第二短金属线(9)、第三短金属线(11)、第四短金属线(12)、第五短金属线(14)、第六短金属线(15)、第七短金属线(16)、第一焊盘(19)、第二焊盘(20)、第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)、第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)；
所述的第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)贯穿介质基板；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)位于介质基板的上表面，所述的第三长金属线(17)、第四长金属线(18)位于介质基板的下表面；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第四长金属线(18)的宽度相等，宽度为净空区宽度的十分之一；所述的第三长金属线(17)的宽度为净空区宽度的八分之一到七分之一之间；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)的长度相等；
所述的第一长金属线(10)到第三长金属线(17)的距离满足净空区长度的十分之一，所述的第二长金属线(13)在介质基板下表面的投影到第三长金属线(17)的距离与第二长金属线(13)到第四长金属线(18)的距离相等；
作为优选，所述的第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)的高度和半径相等；
作为优选，所述的第二长金属线(13)到第四长金属线(18)的距离满足净空区长度的九分之一到十分之一；
作为优选，所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)的两端距介质基板的边缘留有等宽的缝隙；
作为优选，所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)平行设置；
作为优选，所述的第一长金属线(10)距离测试地(1)在水平方向留有二分之一到三分之一净空区宽度的距离；所述的第二短金属线(9)、第四短金属线(12)、第三短金属线(11)、第五短金属线(14)均与介质基板边缘留有等宽的缝隙；
作为优选，所述数模信号处理部分(6)的靠近所述净空区(7)侧开有矩形槽；所述的天线馈电端(4)位于所述矩形槽内，其左右两端分别与馈线(27)和数模信号处理部分(6)连接；
作为优选，所述的天线馈电端(4)上下两侧的间隙等宽设置；
作为优选，所述的天线馈电端(4)要实现良好匹配，所设置的馈线(27)宽度与其两侧的间隙的比值满足共面波导的阻抗特性，与输入端的50Ω实现阻抗匹配，从而实现无反射输入。共面波导特征阻抗公式如下：
其中Zc为共面波导的等效电阻，CCPW是共面波导结构的总电容，εeff表示介质基板的有效介电常数，s表示馈线(27)宽度，w为馈线(27)两侧间隙宽度；
作为优选，所述的匹配网络(5)位于天线馈电端(4)与天线主体(3)之间，包括第一匹配元件(24)、第二匹配元件(25)、第三匹配元件(26)，三者间通过一条馈线(27)连接，且各匹配元件都满足0201规格的封装尺寸；
所述的匹配网络(5)在天线馈电端(4)和天线主体(3)间采用一个L型阻抗匹配，将工作频段移至Smith原图的中心，使得工作频段可以达到良好的阻抗匹配；所述的第一匹配元件(24)、第二匹配元件(25)、第三匹配元件(26)分别相当于电感、电容、小电阻；
作为优选，所述的第一短金属线(8)通过第四过孔(28)和第七短金属线(16)与馈线(27)相连，第二短金属线(9)通过第五过孔(29)和第六短金属线(15)与测试地(1)相连。所述第一长金属线(10)通过第三短金属线(11)和第二过孔(22)与第三长金属线(17)相连；第三长金属线(17)通过第三过孔(23)和第四短金属线(12)与第二长金属线(13)相连；第二长金属线(13)通过第五短金属线(14)、第一过孔(21)和第二焊盘(20)与第四长金属线(18)相连；
作为优选，所述的第四长金属线(18)的两端设有第一焊盘(19)和第二焊盘(20)，两个焊盘的尺寸是相同的，一是为了满足加工精度的需求，二是将焊盘与天线融合起来，更贴近实际加工，天线与焊盘作为一个整体进行能量发射和接收。
工作原理：
所述的应用于SIP射频模组采用电流引导技术的小型高性能全向天线，其在极其小的净空区(3*8mm2)上设计满足覆盖蓝牙频段的全向天线，是通过最大限度的利用介质基板上下层的有限布局空间，将走线分布在上下层，用过孔进行连接，从而最大限度地增大天线的电长度，使得天线谐振在蓝牙频段附近。主要的辐射走线是平行排列的，为了尽可能降低耦合损耗和保证天线的对称性，对于不同宽度的走线，是通过改变其走线上的等效电阻，调节电流强度，降低走线之间的耦合损耗。值得一提的是，第一长金属线(10)到测试地(1)留有距离，是为了降低天线实际电流与关于地平面镜像电流的抵消，提高天线的增益和工作效率。在净空区的左侧，信号首先到达第一短金属线(8)，然后产生了接地的支路和往后传输的电流路径，接地支路等效为引入了一个并联电感，用于提高天线的阻抗带宽。所述的L型匹配网络(5)主要用于调节天线的阻抗匹配，得到更佳的S参数。为了在小型化的天线中得到理想的阻抗带宽，引入串联电阻，所造成的增益效率略微降低仍能保证天线高性能工作，但其能有效地提高了天线的阻抗带宽，从而覆盖了整个蓝牙频段。考虑了实际的SIP射频模组需求，匹配元件均采用了0201的封装设计，RLC元件值也符合实际元件值。在天线底部加入的第一焊盘(19)和第二焊盘(20)，是为了实际加工的需要，用于产品的焊接固定。而天线边缘留出的等宽缝隙，满足加工工艺的精度要求。综上所述，所设计的小型高性能全向天线考虑了器件耦合，加工精度和产品封装等问题，可应用于实际SIP射频模组天线部分设计。
本发明的有益效果如下：
(1)、本发明采用电流引导技术，在多层走线的基础上，通过调节金属线上的电流分布，调整不同位置金属线的宽度改变其阻抗从而改良各金属线的电流强度，达到降低金属线间的耦合干扰，提高天线性能的效果，使得所设计的天线在满足-10dB阻抗带宽的同时，还具有高性能的工作特性；
(2)、本发明最靠近地平面的长金属线设置在地平面的另一层，通过巧妙地设置走线的布局，从而降低金属线上电流关于测试地产生的感应电流的抵消效果，提高天线的工作性能；
(3)、本发明利用3*8mm2极小尺寸的净空区，考虑加工精度和焊接问题，实现小尺寸高性能的全向特性的设计方法，为小型化封装天线提供更多设计可能；
(4)、本发明采用简单的结构绘制上下层的金属线进行设计，易于加工；加入SIP焊盘与天线的融合技术，焊盘部分也参与了天线辐射，仿真结果更具可靠性，加入的焊盘也便于实物的固定安装。
(5)本发明中的馈电方式采用的是共面波导阻容感加载技术，先并电感后串电容，再接小电阻，可以有效地调节天线的阻抗匹配和阻抗带宽，使天线有着更好的匹配和传输特性，也便于实际加工后天线的性能调试。
(6)、本发明中的天线所使用的净空区十分有限，但其所达到的高性能工作特性可应用于其它SIP射频模组的天线部分设计，结构参数可调性高，应用场景十分广泛；
附图说明
图1是应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线的SIP射频模组及测试地结构俯视示意图。
图2是应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线及SIP射频模组结构俯视示意图。
图3是应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线结构走线示意图，其中(a)为全向天线的上表面走线，(b)为全向天线的下表面走线，(c)是全向天线结构侧视示意图。
图4是应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线的匹配电路部分结构示意图。
图5是利用仿真软件模拟出应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线的S11结果图。
图6是利用仿真软件模拟出应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线分别在
和
时的方向图。
图7是利用仿真软件模拟出应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线辐射效率结果图。
图中标记：测试地1、SIP射频模组2、天线主体3、天线馈电端4、匹配网络5、数模信号处理部分6、净空区7、第一短金属线8、第二短金属线9、第一长金属线10、第三短金属线11、第四短金属线12、第二长金属线13、第五短金属线14、第六短金属线15、第七短金属线16、第三长金属线17、第四长金属线18、第一焊盘19、第二焊盘20、第一过孔21、第二过孔22、第三过孔23、第一匹配元件24、第二匹配元件25、第三匹配元件26、馈线27、第四过孔28、第五过孔29。
具体实施方式
为了将本发明中所设计的技术方案、设计目的以及优点更好地阐述清楚，将结合实施例以及附图，对本发明的内容进行更详细地说明，此处所用到的具体实施例仅用于说明，并不用于限定本发明。
本发明中所使用的术语“第一”“第二”等，是为了更好地区分结构，将相似或相同的结构进行简要描述，但这些结构并不受这些术语的限制。
在本实施例中，提出了一种可应用于SIP射频模组采用电流引导技术的小型高性能全向天线。如附图中的图1所示，包括测试地1、SIP射频模组2和右侧的净空区。SIP射频模组2需要放在测试地1上进行性能仿真，数模信号处理部分6放置在地平面上，而天线部分在净空区的3*8mm2区域内。基于上述结构可知，测试地1和数模信号处理部分6在天线的仿真和调试中都需要考虑。另外，通过加大测试地1的尺寸，可以有效地拓展带宽，说明该全向天线可以有效应用于多场景中，其阻抗带宽及工作频段仍可以很好地满足。而有限的净空区7极大地限制了天线的性能指标，最大限度地利用走线满足工作频点的电长度，尽可能的避免耦合、镜像干扰引起的损耗，是天线高性能工作的保证。
在本实施例中，如图2所示，所述的SIP射频模组2包括数模信号处理部分6和天线主体3，图4中具体给出了匹配网络的组成部分，天线馈电端4通过阻容感加载技术，先并联一个电感，串联一个电容，再经过一段馈线，串联一个用于拓展带宽的电阻，最后引到辐射走线上。基于上述结构可知，匹配网络5采用的是L型的匹配电路，在元件尺寸上选取0201规格的封装尺寸，天线的匹配可以通过对匹配元件的元件值进行调节，从而对加工产生的一些误差以及环境噪声引入的干扰进行更好地补偿。馈线的宽度和两侧缝隙满足共面波导端口传输匹配的尺寸要求，使得源端的能量可以最大限度地经过馈线传输到天线主体3，提高天线的工作效率。
在本实施例中，如图2-3所示，所述的天线主体3的走线通过过孔在介质基板上下表面实现电流引导，所述的走线和过孔包括：第一短金属线8、第二短金属线9、第三短金属线11、第四短金属线12、第五短金属线14、第六短金属线15、第七短金属线16、第一焊盘19、第二焊盘20、第一长金属线10、第二长金属线13、第三长金属线17、第四长金属线18、第一过孔21、第二过孔22、第三过孔23、第四过孔28、第五过孔29；电流从天线馈电端4进入，经过匹配网络5和馈线27到达右侧净空区上的天线主体3，电流首先经过第七短金属线16，然后通过第四过孔28到达第一短金属线8，接着电流留到第二短金属线9，电流会有两个支路，一个支路是向测试地一侧流，然后通过第五过孔29流到第六短金属线15，其中，第六短金属线15是和测试地1相连的；另一个支路是向右侧流至第一长金属线10，然后通过第三短金属线11、第二过孔22流到下层的第三长金属线17，接着通过第三过孔23，电流流到上层的第四短金属线12，再到第三长金属线13，流动至第五短金属线14后经第一过孔21，流至下层的第二焊盘20，最后经过第四长金属线18到达最后的第一焊盘19。
在一些具体的实施例中，如图3所示，上下走线之间通过过孔实现连通，四条长金属线之间相互平行排列。所述的第一长金属线10、第二长金属线13和第四长金属线18是等宽的；其中第四长金属线18前后有第一焊盘19和第二焊盘20，其中，两个焊盘的尺寸是相同的；基于上述结构可知，上下布线交叉地分布是为了让每两个矩形走线上的幅度与相位最优，降低各走线之间的耦合干扰，两端的焊盘是为了满足实际封装的需要。
在一些具体的实施例中，所述的第二短金属线9、第四短金属线12、第三短金属线11、第五短金属线14、第一长金属线10、第二长金属线13、第三长金属线17、第四长金属线18均与天线主体3边缘留有等宽的缝隙，基于上述结构，是考虑到实际加工的精度要求。
在一些具体的实施例中，第二长金属线13左右两端都有小的短金属线，而第三长金属线17是用过孔连接，基于上述的结构可知，其目的是为了避免用于连接长金属线的短金属线与两个焊盘靠的太近，减小焊盘对短金属线的耦合干扰。
在一些具体的实施例中，所述的测试地的尺寸是30mm*18mm；所述的SIP射频模组2的介质基板采用的是FR4材料，结构尺寸是8mm*8mm，厚度为0.8mm；所述的天线主体的结构尺寸是3mm*8mm。
在一些具体的实施例中，图5是本发明提出的可应用于SIP射频模组采用电流引导技术的小型高性能全向天线的S11参数结果图，其-10dB阻抗带宽覆盖2.39GHz到2.49GHz频段，设计的工作频点为2.45GHz，且在WIFI频段内，满足蓝牙天线的阻抗带宽指标。此外，随着测试地尺寸的增大，阻抗带宽将会更宽，保证了在更大地平面的应用场合中蓝牙频段也得以覆盖。
在一些具体的实施例中，图6是利用仿真软件模拟出应用于SIP射频模组采用电流引导技术的小型高性能全向天线分别在
和
时的方向图。从方向图可以看出，该天线具有良好的全向特性，最大辐射方向的增益可以达到-0.18dB，有着55％以上的良好辐射效率，工作性能十分优越。
以上所述实施例，介绍的十分详细，但不能因此理解为对本申请专利范围的限制。应当指出，对于本领域上的技术人员来说，在不脱离本发明的发明原理的基础上，可以对部分技术进行修改和改进，所进行的任何修改和改进都应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，包括：介质基板、天线主体(3)、天线馈电端(4)、匹配网络(5)、馈线(27)；所述天线主体(3)位于净空区(7)；
所述的天线馈电端(4)和匹配网络(5)位于SIP射频模组的数模信号处理部分(6)内；天线馈电端(4)通过匹配网络(5)、馈线(27)向天线主体(3)馈电；
其特征在于：
所述的天线主体(3)的走线通过过孔在介质基板上下表面实现电流引导，所述的走线和过孔包括：第一短金属线(8)、第二短金属线(9)、第三短金属线(11)、第四短金属线(12)、第五短金属线(14)、第六短金属线(15)、第七短金属线(16)、第八短金属线(19)、第九短金属线(20)、第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)、第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)；所述的第一短金属线(8)通过第四过孔(28)和第七短金属线(16)与馈线(27)相连，第二短金属线(9)通过第五过孔(29)和第六短金属线(15)与测试地(1)相连；所述第一长金属线(10)通过第三短金属线(11)和第二过孔(22)与第三长金属线(17)相连；第三长金属线(17)通过第三过孔(23)和第四短金属线(12)与第二长金属线(13)相连；第二长金属线(13)通过第五短金属线(14)、第一过孔(21)和第二焊盘(20)与第四长金属线(18)相连；所述的第四长金属线(18)的两端设有第一焊盘(19)和第二焊盘(20)；
所述的第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)贯穿介质基板；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)位于介质基板的上表面，所述的第三长金属线(17)、第四长金属线(18)位于介质基板的下表面；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第四长金属线(18)的宽度相等，宽度为净空区宽度的十分之一；所述的第三长金属线(17)的宽度为净空区宽度的八分之一到七分之一之间；
所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)的长度相等；
所述的第一长金属线(10)到第三长金属线(17)的距离满足净空区长度的十分之一，所述的第二长金属线(13)在介质基板下表面的投影到第三长金属线(17)的距离与第二长金属线(13)到第四长金属线(18)的距离相等。
2.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的第一过孔(21)、第二过孔(22)、第三过孔(23)、第四过孔(28)、第五过孔(29)的高度和半径相等。
3.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的第二长金属线(13)到第四长金属线(18)的距离满足净空区长度的九分之一到十分之一。
4.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)的两端距介质基板的边缘留有等宽的缝隙。
5.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的第一长金属线(10)、第二长金属线(13)、第三长金属线(17)、第四长金属线(18)平行设置。
6.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的第一长金属线(10)距离测试地(1)在水平方向留有二分之一到三分之一净空区宽度的距离；所述的第二短金属线(9)、第四短金属线(12)、第三短金属线(11)、第五短金属线(14)均与介质基板边缘留有等宽的缝隙。
7.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述数模信号处理部分(6)的靠近所述净空区(7)侧开有矩形槽；所述的天线馈电端(4)位于所述矩形槽内，其左右两端分别与馈线(27)和数模信号处理部分(6)连接；所述的天线馈电端(4)上下两侧的间隙等宽设置。
8.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的馈线(27)宽度与其两侧间隙的比值满足共面波导的阻抗特性，与输入端的50Ω实现阻抗匹配，从而实现无反射输入；共面波导特征阻抗公式如下：
其中Zc为共面波导的等效电阻，CCPW是共面波导结构的总电容，εeff表示介质基板的有效介电常数，s表示馈线(27)宽度，w为馈线(27)两侧间隙宽度。
9.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于所述的匹配网络(5)位于天线馈电端(4)与天线主体(3)之间，包括第一匹配元件(24)、第二匹配元件(25)、第三匹配元件(26)，三者间通过一条馈线(27)连接，且各匹配元件都满足0201规格的封装尺寸；
所述的匹配网络(5)在天线馈电端(4)和天线主体(3)间采用一个L型阻抗匹配，将工作频段移至Smith原图的中心。
10.根据权利要求1所述的应用于SIP射频模组的小型高性能全向天线，其特征在于电流从天线馈电端(4)进入，经过匹配网络(5)和馈线(27)到达净空区上的天线主体(3)，电流首先经过是第七短金属线(16)，然后通过第四过孔28到达第一短金属线(8)，接着电流留到第二短金属线(9)，电流会有两个支路：一个支路是向测试地一侧流，然后通过第五过孔(29)流到第六短金属线(15)，其中，第六短金属线(15)是和测试地(1)相连的；另一个支路是流至第一长金属线(10)，然后通过第三短金属线(11)、第二过孔(22)流到下层的第三长金属线(17)，接着通过第三过孔(23)，电流流到上层的第四短金属线(12)，再到第三长金属线(13)，流动至第五短金属线(14)后经第一过孔(21)，流至下层的第二焊盘(20)，最后经过第四长金属线(18)到达第一焊盘(19)。
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