CN116995419A - 用于微波无线传能的发射天线封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微波无线传能的发射天线封装结构，包括功率分配器，功率分配器，功率分配器的下方安装有射频电路，功率分配器将射频电路封装在封装腔体内部，功率分配器的上方设有天线地板，天线地板上方设置有辐射层，该辐射层通过同轴线与功率分配器连接，且该辐射层与天线地板存在空气介质。本发明解决了传统分离式天线存在的剖面高、损耗高及质量大的问题。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种用于微波无线传能的发射天线封装结构。
背景技术
发射天线是微波无线传能系统中的关键部分之一，可实现在特定频率，极化方式等条件下，有效辐射电磁能量的要求。因此，发射天线的集成结构设计引起了微波无线传能领域的广泛关注。发射天线作为微波无线传能系统中关键组成部分，其本身的损耗和辐射效率对微波无线传能系统的传输效率存在影响。
传统天线与收发组件分立设计后再通过连接器互连的集成方式使得封装尺寸与损耗较大，难以满足系统的低功耗、高集成度、小型化需求。使用封装天线技术能有效解决这些问题，但也会带来新的挑战。
经检索，中国专利号202111527186.2，申请日期为2021年12月14日，申请专利名称微带天线与TR组件一体化结构及一体化方法，该申请将天线与TR组件一体化，但仍然存在剖面较高的问题。
经检索，中国专利号202210715735.7，申请日期为2022年6月23日，申请专利名称一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统，该申请将封装天线技术引入有源相控阵，完成天线与收发组件的小型化一体化封装，但仍然存在射频电路与天线之间的传输路径较长的问题。
综上所述，传统的发射天线设计存在剖面高的问题，封装天线的设计则往往需要面对传输路径、散热以及成本问题。因此有必要设计一种成本可控、结构简单、低剖面、低损耗、高效率的发射天线集成结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微波无线传能的发射天线封装结构，解决了传统分离式天线存在的剖面高、损耗高及质量大的问题。
本发明所采用的技术方案是，用于微波无线传能的发射天线封装结构，包括功率分配器，功率分配器的下方安装有射频电路，功率分配器将射频电路封装在封装腔体内部，功率分配器的上方设有天线地板，天线地板上方设置有辐射层，该辐射层通过同轴线与功率分配器连接，且该辐射层与天线地板存在空气介质。
本发明的特点还在于：
辐射层为四个由辐射贴片组成的2×2的贴片天线阵列。
辐射贴片通过贴片支撑连接在天线地板上。
功率分配器采用基于SICL传输线技术的一分四功率分配器，具有良好的电磁屏蔽效果。
SICL传输线结构包括从上至小依次设置的上层金属板、上层介质基板、粘接介质、下层介质基板、下层金属板，上层介质基板和下层介质基板通过粘接介质连接，粘接介质中设置有一条金属导体，金属导体的长度与上层介质基板的长度相同；金属导体两侧设置有两列金属通孔，金属通孔依次贯穿上层介质基板、粘接介质、下层介质基板。
金属通孔通过过渡结构与同轴线连接。
过渡结构开设在上层介质基板上的通孔，通孔与同轴线同轴设置。
用于微波无线传能的发射天线封装方法，通过功率分配器将射频电路封装在封装腔体内部，将功率分配器与辐射贴片通过同轴线连接，辐射贴片由圆柱形支撑结构固定于天线地板，将天线地板设置在功率分配器上方。
本发明的有益效果如下：
1.由于本发明中采用的功率分配器具有屏蔽效果，可以很好地降低天线、功率分配器和射频电路三者之间的干扰，因此天线、功率分配器和射频电路可以在垂直方向直接连接，无需额外的封装与电磁屏蔽，大大地降低了发射天线剖面高度。
2.由于天线、功率分配器和射频电路在垂直方向紧密连接，天线与功率分配器，功率分配器与射频电路之间的连接路径最短，大大减小了发射天线的传输损耗。
3.本发明将天线、功率分配器和射频电路集成在一个封装内，减少了封装的个数，进而减少了发射天线的重量。
附图说明
图1(a)、(b)为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构的结构示意图；
图2为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构的SICL传输线结构示意图；
图3(a)、3(b)为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构的功率分配器结构示意图；
图4为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构的SICL传输线到同轴线过渡结构示意图；
图5为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构的射频电路示意图；
图6为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例1的2×2天线端口S11；
图7为本发明本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例1的2×2天线极化图；
图8为本发明本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例1的2×2天线增益图；
图9为本发明本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例1的2×2天线端口阻抗图；
图10(a)为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例2功放电路在5.8GHz频率下输入功率31dBm时的S11曲线；
图10(b)为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例2功放电路在5.8GHz频率下输入功率31dBm时的增益曲线；
图11为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例2功放电路在5.8GHz频率下输入功率31dBm时的功率附加效率。
图12为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例2天线和功放电路联合仿真的S11。
图13为本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构实施例3中5×5阵列的增益方向图。
图中，1.辐射贴片，2.同轴线，3.贴片支撑，4.空气介质，5.天线地板，6.封装腔体，7.射频电路，8.功率分配器，9.上层金属板，10.上层介质基板，11.粘接介质，12.下层介质板，13.下层金属板，14.金属导体，15.金属通孔，16.过渡结构，17.通孔，18.偏置电路I，19.输入配电电路，20.输出配电电路，21.晶体管，22.偏置电路I。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于微波无线传能的发射天线封装结构，如图1(a)所示，包括辐射贴片1、同轴线2、贴片支撑3、空气介质4、天线地板5、封装腔体6、射频电路7(功放、移相电路、电源)、功率分配器8，其中：
发射天线正面为辐射层，如图1(b)所示，辐射层为四个由辐射贴片1组成的2×2的贴片天线阵列，第二层为空气介质4，第三层为天线地板5，辐射贴片1由圆柱形支撑结构3固定于天线地板5，第四层为功率分配器(馈电网络)8，第五层为射频电路7，功率分配器8与辐射贴片1通过同轴线2连接，射频电路7被封装在封装腔体6内部。
功率分配器8采用基于SICL传输线技术的一分四功率分配器，具有良好的电磁屏蔽效果，SICL传输线结构如图2所示，该传输线结构从上到下共有五层，分别为上层金属板9，上层介质基板10，粘接介质11，下层介质基板12，下层金属板13。其中，金属导体14在粘接介质11中，上层介质基板10和下层介质基板12通过粘接介质11连接，在金属导体14两侧有着两列金属通孔15，金属通孔15依次贯穿上层介质基板10、粘接介质11、下层介质基板12。两列金属通孔15间隔为A，每一列中的每一个金属通孔15间隔S。该结构的金属导体14与上层金属板9、下层金属板13以及金属导体14两侧的金属通孔15共同构成类似同轴线的结构。金属导体14可以看做同轴线的金属内芯，上层金属板9、下层金属板13以及金属导体14两侧的金属通孔15则可以看做同轴线的金属外芯。该结构的上层金属板9可与天线地板5视为一个整体，下层金属板13可视为射频电路7的接地。
图3(a)、图3(b)为基于SICL传输线技术设计的功率分配器8的结构示意图，主要包括：同轴线2、SICL传输线、SICL传输线到同轴线2的过渡结构16。依照现有功率分配器的原理设计出功率分配器8的形状，通过SICL传输线到同轴线的过渡结构16将水平方向传输的信号转换为垂直方向传播。如图3(a)、图3(b)所示的功率分配器由两级“T”形功率分配器组成(共三个，一个第一级，两个第二级)，第一级功率分配器的输出为第二级功率分配器的输入。其主要由输入输出端的阻抗为50Ω的SICL传输线(粗的)和长度为四分之一个波长，阻抗为70.7Ω的SICL传输线构成(细的)。阻抗为70.7Ω的SICL传输线的作用为阻抗变换，以便将信号进行等辐同向的分配。
图4为SICL传输线到同轴线的过渡结构16的示意图，同轴线2的金属内芯与粘接介质层11中的金属导体直接接触，同轴线2的金属外芯与上层金属板9(下层金属板13)接触。通过在上层介质基板10(下层介质基板12)挖一个通孔17来解决SICL传输线到同轴线的阻抗不连续问题。通孔17的位置与同轴线2的位置同心，通孔17直径为C，略大于同轴线2内芯直径。
如图5所示为射频电路的示意图，主要包括功放电路、移相器、电源模块。其中，功放电路(以A类功放为例)包括了偏置电路I18和偏置电路II22，输入匹配电路19、输出匹配电路20以及晶体管21。输入匹配电路19中的电阻R1与信号源连接，电阻R2与晶体管的栅极连接，偏置电路18中的电容C3与电源模块输出的负压连接，电阻R7与晶体管的栅极连接。偏置电路22中的电容C2与电源模块输出的正压连接，电阻R8与晶体管的漏极连接。输出匹配电路20中的电阻R4与晶体管的漏极连接，电阻R6与电容C1连接，电容C1与移相器的输入连接。
实施例1
辐射贴片1材料为铜，长L＝25mm，W＝24.2mm，圆极化切角Q＝4mm，贴片厚度H1＝1mm，空气介质4厚度H2＝1.2mm，天线地板5材料为铝，厚度H3＝3mm，长L1＝80mm，宽W1＝80mm，每个辐射贴片1之间间距L2＝40mm，贴片支撑半径R1＝2.5mm，高度H4＝1.2mm。功率分配器8上层介质基板10和下层介质基板12材料为F4B，基板长L3、宽W3满足：L3＝W3＝80mm，厚度H5＝1mm，上层金属板9和下层金属板13材料为铝，厚度H6＝0.1mm，长宽尺寸同功率分配器介质基板(上层介质基板10和下层介质基板12尺寸相同)。粘接介质11采用粘接材料，厚度H7＝0.035mm，长宽尺寸同功率分配器8介质基板。金属导体14材料为铜，厚度H8＝0.035mm，分别赋予Z1＝50Ω和Z2＝70.7Ω阻抗。金属导体14两侧的金属通孔15间隔L4＝5mm，金属通孔15半径R2＝1mm，同一列的每个金属通孔15间隔L5＝5mm。同轴线2的内芯半径R3＝0.65mm，外芯半径R4＝2.05mm，使用同轴线2对辐射贴片1进行馈电，馈电点位置距离贴片1中心距离为X＝8.9mm。SICL传输线到同轴线2的过渡结构16中的通孔17半径C＝1mm。
如图6所示为本实施例的回波损耗仿真结果，本实施例的S11＝-31dB，这意味着该实施例的回波损耗极低，与端口的匹配性能良好。
如图7所示为本实施例的轴比仿真结果，该结果表明发射天线的轴比为0.52dB，为圆极化天线。
如图8所示为本实施例的增益方向图仿真结果，其中RHCP phi＝0为E面的右旋增益方向图，RHCP phi＝90为H面的右旋增益方向图，LHCP phi＝0为E面的左旋增益方向图，LHCP phi＝90为H面的左旋增益方向图，图中结果表明该天线为左旋天线。
如图9所示为本实施例的天线阻抗信息，天线阻抗信息为47.41-j*0.61Ω。
功率分配器的下层金属板13可作射频电路7的接地，由此可以大大减小发射系统的剖面高度。功率分配器与天线单元位于异侧，减小了互相干扰，这样可以在组阵时抑制栅瓣；同时馈电网络具有良好的屏蔽效果，避免了射频电路与天线之间的相互干扰，提高了发射天线系统的性能。
实施例2
在实施例1的基础上，将天线的阻抗信息作为功放电路的负载，以此来验证天线与功放电路之间的匹配性能。将天线与功放电路中的电容C1连接进行联合仿真。
如图10(a)、(b)所示为本实施例所用的功放电路的仿真信息，图10(a)结果表明5.8GHz频率下该功放的增益为12.74dB，图10(b)结果表明该功放电路输入端口的回波损耗S11＝-15.17dB。
如图11所示为本实施例所用的功放电路的仿真信息，5.8GHz频率下，当输入功率为31dBm时，该功放的功率附加效率PAE＝50.9％。
如图12所示为本实施例天线与功放电路联合仿真的结果，整个系统的S11＝-15.37dB，由此可知天线与功放电路之间的匹配性能良好，故本结构是可行的。
实施例3
在实施例1的基础上，将该天线组成5×5的阵列天线，用HFSS仿真其组阵性能。
如图13所示为本实施例组成的5×5阵列的增益方向图，分别为阵列的E面增益方向图和H面增益方向图。从方向图可以直观的看出，该结构形式在天线组阵时大大抑制了栅瓣的出现。
Claims (8)
1.用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：包括功率分配器(8)，功率分配器(8)的下方安装有射频电路(7)，功率分配器(8)将射频电路(7)封装在封装腔体(6)内部，功率分配器(8)的上方设有天线地板(5)，天线地板(5)上方设置有辐射层，该辐射层通过同轴线(2)与功率分配器(8)连接，且该辐射层与天线地板(5)存在空气介质(4)。
2.根据权利要求1所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述辐射层为四个由辐射贴片(1)组成的2×2的贴片天线阵列。
3.根据权利要求2所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述辐射贴片(1)通过贴片支撑(3)连接在天线地板(5)上。
4.根据权利要求1所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述功率分配器(8)采用基于SICL传输线技术的一分四功率分配器。
5.根据权利要求4所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述SICL传输线结构包括从上至小依次设置的上层金属板(9)、上层介质基板(10)、粘接介质(11)、下层介质基板(12)、下层金属板(13)，上层介质基板(10)和下层介质基板(12)通过粘接介质(11)连接，粘接介质(11)中设置有一条金属导体(14)，金属导体(14)的长度与上层介质基板(10)的长度相同；金属导体(14)两侧设置有两列金属通孔(15)，金属通孔(15)依次贯穿上层介质基板(10)、粘接介质(11)、下层介质基板(12)。
6.根据权利要求5所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述金属通孔(15)通过过渡结构(16)与同轴线(2)连接。
7.根据权利要求6所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构，其特征在于：所述过渡结构(16)开设在上层介质基板(10)上的通孔(17)，通孔(17)与同轴线(2)同轴设置。
8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的用于微波无线传能的发射天线封装结构的封装方法，其特征在于：通过功率分配器(8)将射频电路(7)封装在封装腔体(6)内部，将功率分配器(8)与辐射贴片(1)通过同轴线(2)连接，辐射贴片(1)由圆柱形支撑结构(3)固定于天线地板(5)，将天线地板(5)设置在功率分配器(8)上方。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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