CN116093596A - 毫米波宽带封装天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽带封装天线，涉及天线技术领域。毫米波宽带封装天线包括由下至上依次设置的金属地板、第一介质层、覆铜层和至少两个第二介质层；第一介质层设置于金属地板上，第一介质层设置有接地金属通孔；覆铜层设置有馈电结构；每个第二介质层的上表面分别设置有金属贴片，每个第二介质层设置有若干个第一金属过孔和第二金属过孔，每相邻的两个金属贴片通过第一金属过孔和第二金属过孔实现电性连接；馈电结构通过第一金属过孔与金属贴片电性连接，金属地板通过接地金属通孔、覆铜层及第二金属过孔与金属贴片电性连接。根据本发明的毫米波宽带封装天线，能够降低磁电偶极子天线的剖面高度，并增大带宽。

Description

毫米波宽带封装天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种毫米波宽带封装天线。

背景技术

磁电偶极子是一种优良的辐射体，但是由于其剖面高度的电尺寸较大，因此尚未被广泛应用到毫米波封装天线的设计中。为了改善磁电偶极子天线的高剖面问题，目前主要有以下两种降低剖面的方法：1、对垂直于地板的纵向金属结构进行弯折，使得其上电流流经的路径显著变长，从而实现低剖面；2、在纵向金属结构上挖槽，使得其上电流不得不绕开缝隙，从而实现延长电流路径的效果，最终降低剖面。

然而，上述两种方法，均不适合用于毫米波封装天线的实现。第一种方法直接对纵向金属结构进行折叠，必然会导致磁电偶极子的馈电连接层的数量增加，进而导致平面空间利用率下降，因此该方法降低剖面高度的效果受板层数量的严重限制。第二种方法则只适用于全金属天线，不适用于集成度高的封装技术与印刷电路板的金属通孔馈电结构中。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种毫米波宽带封装天线，能够有效降低剖面，增大带宽。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，包括：

金属地板；

第一介质层，设置于所述金属地板上，所述第一介质层设置有接地金属通孔；

覆铜层，设置于所述第一介质层上，所述覆铜层设置有馈电结构；

位于所述覆铜层上端且依次堆叠的至少两个第二介质层，每个所述第二介质层的上表面分别设置有金属贴片，每个所述第二介质层设置有若干个第一金属过孔和第二金属过孔，每相邻的两个所述金属贴片通过所述第一金属过孔和所述第二金属过孔实现电性连接；所述馈电结构通过所述第一金属过孔与所述金属贴片电性连接，所述金属地板通过所述接地金属通孔、所述覆铜层及所述第二金属过孔与所述金属贴片电性连接。

根据本发明的一些实施例，所述金属贴片包括相对设置的第一子贴片和第二子贴片。

根据本发明的一些实施例，所述第一子贴片和所述第二子贴片相互对称。

根据本发明的一些实施例，所述第一子贴片和所述第二子贴片分别设置有开槽结构。

根据本发明的一些实施例，所述第一子贴片和所述第二子贴片为矩形、圆形、菱形或三角形。

根据本发明的一些实施例，所述馈电结构通过所述第一金属过孔与所述第一子贴片电性连接，所述金属地板通过所述接地金属通孔、所述覆铜层及所述第二金属过孔与所述第二子贴片电性连接。

根据本发明的一些实施例，所述馈电结构包括接地共面波导。

根据本发明的一些实施例，所述接地共面波导设置成宽度逐渐变宽的渐变结构，且所述渐变结构的内部和外部四周进行镂空处理。

根据本发明的一些实施例，所述第一金属过孔和所述第二金属过孔分别具有多个且各自形成一排，所述第一金属过孔设置于对应所述接地共面波导的末端的位置处，所述接地共面波导的末端外侧形成有缝隙，所述第二金属过孔与所述第一金属过孔关于所述缝隙对称。

根据本发明的一些实施例，所述第二介质层的数量为两个、三个或四个。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，至少具有如下有益效果：将多个第二介质层和金属贴片进行堆叠，并利用金属过孔直接连通了上下堆叠的多层金属贴片，在降低了磁电偶极子的剖面高度的同时，还引入了下层的金属贴片的额外谐振，有效增加了天线的阻抗带宽，提高了天线空间利用率以及系统集成度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的毫米波宽带封装天线的结构示意图；

图2为本发明实施例的金属地板、第一介质层、覆铜层、第一金属过孔和第二金属过孔的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的金属贴片的结构示意图；

图4为本发明实施例的第二介质层的数量为两个时的结构示意图；

图5为本发明实施例的第二介质层的数量为四个时的结构示意图；

图6为本发明实施例的毫米波宽带封装天线的仿真结果示意图；

图7为本发明实施例的毫米波宽带封装天线的仿真辐射方向示意图；

附图标记：

金属地板100、第一介质层200、接地金属通孔210、覆铜层300、馈电结构310、缝隙320、第二介质层400、第一金属过孔410、第二金属过孔420、金属贴片500、第一子贴片510、第二子贴片520、开槽结构530、绿油层600。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明实施例提出了一种毫米波宽带封装天线，该毫米波宽带封装天线包括由下至上依次设置的金属地板100、第一介质层200、覆铜层300和至少两个第二介质层400；第一介质层200设置于金属地板100上，第一介质层200设置有接地金属通孔210；覆铜层300设置于第一介质层200上，覆铜层300设置有馈电结构310；第二介质层400位于覆铜层300上端，每个第二介质层400的上表面分别设置有金属贴片500，每个第二介质层400设置有若干个第一金属过孔410和第二金属过孔420，每相邻的两个金属贴片500通过第一金属过孔410和第二金属过孔420实现电性连接；馈电结构310通过第一金属过孔410与金属贴片500电性连接，金属地板100通过接地金属通孔210、覆铜层300及第二金属过孔420与金属贴片500电性连接。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，基于封装基板工艺与板层折叠技术实现了磁电偶极子天线。本发明实施例的毫米波宽带封装天线，将多个第二介质层400和金属贴片500进行堆叠，并利用第一金属过孔410和第二金属过孔420直接连通了上下堆叠的多层金属贴片500，在降低了磁电偶极子的剖面高度的同时，还引入了下层的金属贴片500的额外谐振，有效增加了天线的阻抗带宽，提高了天线空间利用率以及系统集成度。利用第一金属过孔410和第二金属过孔420将上下堆叠的多层金属贴片500导通，通过调整金属贴片500的尺寸和第二介质层400到金属地板100的高度，可以使多层金属贴片500同时产生辐射效果，进而产生更多的谐振点。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，其纵向金属结构不需要进行任何的弯折设计，降低了加工难度，有利于在薄层封装工艺条件下实现；同时，其多层金属贴片500上下堆叠的设计，具有显著的展宽带宽的效果；如果需要更宽的工作频带或者多个谐振点，只需灵活增加金属贴片500的层数即可。如图4和图5所示，图4中示出了第二介质层400和金属贴片500的数量为两个的情况，图5中示出了第二介质层400和金属贴片500的数量为四个的情况；需说明的是，第二介质层400和金属贴片500的数量可根据实际数量进行设计，例如三个、五个甚至更多个。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，其主辐射体采用的是金属贴片500，如图1和图3所示，金属贴片500包括相对设置的第一子贴片510和第二子贴片520，第一子贴片510和第二子贴片520具有一定的图案，其形式多样，可以是矩形、圆形、菱形、三角形等多种常见形状，也可以是不规则的图案。第一子贴片510和第二子贴片520可以是相互对称的，也可以是不对称的，此可以根据需求决定。在本实施例中，第一子贴片510和第二子贴片520相互对称。馈电结构310通过第一金属过孔410与第一子贴片510电性连接，金属地板800通过接地金属通孔210、覆铜层300及第二金属过孔420与第二子贴片520电性连接，从而实现对金属贴片500的差分馈电。

如图3所示，在本发明的一些实施例中，第一子贴片510和第二子贴片520分别设置有开槽结构530。通过在第一子贴片510和第二子贴片520上引入开槽结构530，可以增加辐射体表面电流路径的长度，延长辐射体表面参与辐射的电长度，实现辐射体的小型化设计；当开槽的长度越长时，辐射体表面电流的延长效果越好，天线谐振点往低频移动的幅度越大，天线小型化的效果就越好；通过调整开槽结构530的位置、形状和尺寸，阻抗匹配设计可以获得更高的自由度。

为了在封装层中实现磁电偶极子天线，还需要解决天线的馈电问题，目前主要有两种馈电方案：1、将一个Г形的馈电金属探针置于竖直金属板之间，通过磁耦合的方式激发天线的谐振；2、通过在竖直金属板之间的地板上引入缝隙，借助地板下的微带线，实现对磁偶极子天线的馈电。然而这两种馈电方式，在封装工艺条件下，均存在着明显缺陷。对于第一种，Г形探针的馈电结构相对复杂，体积较大，进而增加了天线总体积，只适用于较大尺寸的全金属天线；对于第二种，微带线与耦合缝隙需要处于不同的金属板层，这会增加天线总板层的数量和磁电偶极子天线的剖面高度，难以推广到对板层数量有严格要求的封装天线的设计中。

为此，在本发明实施例中，如图1和图2所示，采用的馈电结构310为接地共面波导。接地共面波导具有信号损耗低和保真性强等优点，且能够将天线的馈电结构所用的板层数减少至一层，从而能满足天线低剖面高度的要求。根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，在实际工作时，对接地共面波导的首端进行馈电，能量沿着接地共面波导水平传输至末端后，传输方向偏转90°，沿着第一金属过孔410和第二金属过孔420呈垂直方向的传输，最终实现对每个第二介质层400上的金属贴片500的馈电。第一金属过孔410和第二金属过孔420构成了一个平行双线的结构，通过接地共面波导转平行双线的馈电方式，使得天线能够取得良好的辐射效果，并降低天线的剖面高度。

不过，接地共面波导和竖直的平行双线结构直接相连也存在一定的问题。以毫米波封装天线领域内常见的厚度为50微米的基板为例，为保证接地共面波导的阻抗在50欧姆附近，接地共面波导的馈线宽度必须缩小至80微米，馈线与共面地板间的间隙必须缩小至40微米；这意味着，如果直接相连，接地共面波导与平行双线结构的连接，只能通过一个金属通孔来完成；然而，单一的金属通孔，无法实现对磁电偶极子天线的有效馈电。为此，如图1所示，在本发明的一些实施例中，接地共面波导设置成宽度逐渐变宽的渐变结构，且渐变结构的内部和外部四周进行镂空处理。通过在接地共面波导到平行双线结构的转换处添加渐变结构，并对渐变结构的内外进行挖空处理，传输线由小到大的渐变结构能有效平滑接地共面波导和竖直的平行双线的阻抗变化，避免电磁波发生严重的反射；而对宽度渐变处的传输线进行挖空处理，实质上是让传输线一分为二，实现两路传输线的并联；通过对渐变结构的大小和挖空部分的长度与宽度进行调整，就能实现一个比较完美的转换巴伦，这一新型的巴伦设计，可以在传输线末端处提供更多的金属通孔。如图2所示，第一金属过孔410和第二金属过孔420分别具有多个且各自形成一排，第一金属过孔410设置于对应接地共面波导的末端的位置处，接地共面波导的末端外侧形成有缝隙320，第二金属过孔420与第一金属过孔410关于缝隙320对称。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，毫米波宽带封装天线还包括绿油层600，绿油层600设置于位于最上方的金属贴片500的上端，绿油层600起到阻焊和保护天线的作用。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，其仿真结果如图6和图7所示，从仿真结果可以看出，天线单元最大增益为6.2dBi，天顶方向的交叉极化小于-30dB，3-dB波束宽度120，具有较大的带宽和良好的辐射性能。

根据本发明实施例的毫米波宽带封装天线，辐射体为通过第一金属过孔410和第二金属过孔420连接的多层堆叠的金属贴片500，借助多个谐振点，形成了宽带匹配效果；而且，为了有效的对辐射体进行馈电，本发明中引入了新型的宽带巴伦结构，实现了从作为馈线的接地共面波导到垂直的平行双线的转换，该巴伦结构为一个宽度渐变、且保留部分中空的贴片，外部形状和中空部分的形状可以是三角形，也可以是其他适合的形状；此巴伦结构，可以使得辐射体在极薄基板的情况下，最终获得带宽的阻抗匹配。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“进一步实施例”、“一些具体实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种毫米波宽带封装天线，其特征在于，包括：

金属地板；

第一介质层，设置于所述金属地板上，所述第一介质层设置有接地金属通孔；

覆铜层，设置于所述第一介质层上，所述覆铜层设置有馈电结构；

位于所述覆铜层上端且依次堆叠的至少两个第二介质层，每个所述第二介质层的上表面分别设置有金属贴片，每个所述第二介质层设置有若干个第一金属过孔和第二金属过孔，每相邻的两个所述金属贴片通过所述第一金属过孔和所述第二金属过孔实现电性连接；所述馈电结构通过所述第一金属过孔与所述金属贴片电性连接，所述金属地板通过所述接地金属通孔、所述覆铜层及所述第二金属过孔与所述金属贴片电性连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述金属贴片包括相对设置的第一子贴片和第二子贴片。

3.根据权利要求2所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述第一子贴片和所述第二子贴片相互对称。

4.根据权利要求2所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述第一子贴片和所述第二子贴片分别设置有开槽结构。

5.根据权利要求2所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述第一子贴片和所述第二子贴片为矩形、圆形、菱形或三角形。

6.根据权利要求2所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述馈电结构通过所述第一金属过孔与所述第一子贴片电性连接，所述金属地板通过所述接地金属通孔、所述覆铜层及所述第二金属过孔与所述第二子贴片电性连接。

7.根据权利要求1所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述馈电结构包括接地共面波导。

8.根据权利要求7所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述接地共面波导设置成宽度逐渐变宽的渐变结构，且所述渐变结构的内部和外部四周进行镂空处理。

9.根据权利要求8所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述第一金属过孔和所述第二金属过孔分别具有多个且各自形成一排，所述第一金属过孔设置于对应所述接地共面波导的末端的位置处，所述接地共面波导的末端外侧形成有缝隙，所述第二金属过孔与所述第一金属过孔关于所述缝隙对称。

10.根据权利要求1所述的毫米波宽带封装天线，其特征在于，所述第二介质层的数量为两个、三个或四个。

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