CN117317617A - 一种滤波功放天线阵模块 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于滤波天线模块技术领域，提供了一种滤波功放天线阵模块，包括基板、滤波器、功率放大器和阵列天线，所述阵列天线设置在所述基板的第一表面，所述滤波器设置在所述基板的第二表面；所述功率放大器设置在所述基板的内部或第二表面，所述功率放大器通过金丝键合连接有输入微带线、输出微带线，所述输入微带线、输出微带线两侧的基板内设置金属接地柱形成CPW结构；所述滤波器包括多个谐振腔，多个所述谐振腔沿着u型或n型路径方向通过耦合窗口依次连接，位于u型或n型路径的一端的所述谐振腔插入有第一馈电探针、另一端的所述谐振腔插入有第二馈电探针；本发明可以改善现有技术存在的性能、尺寸和集成工艺兼顾难的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于滤波天线模块技术领域，尤其涉及一种滤波功放天线阵模块。
背景技术
天线是现代无线通信系统中辐射、接受能量的关键部件，其性能好坏往往决定了整个通信系统的成败；滤波天线模块是无线通信系统中至关重要的组成部分，它通过滤波技术实现对射频信号的频谱控制，以及通过天线进行信号的辐射和接收。传统无线通信系统中的天线模块在处理射频信号时常常会面临各种干扰和噪声，如多径干扰、共信道干扰和频率选择性衰落等，这些干扰和噪声对通信质量造成了严重影响，导致通信性能下降，为了解决这一问题，滤波天线模块应运而生。
随着射频无源器件的发展以及5G的广泛使用，为实现万物互联的目标，对涉及到传输信号的射频微波模块以及通信基站提出了更高的要求，使其需要不断优化提高性能和尺寸，这使得滤波天线模块这类射频前端中的各种器件一体化是我们需要重点关注的对象，因此射频前端将朝着小型集成化和高性能的方向发展。
传统的毫米波通信系统在频谱利用率和抗干扰方面存在挑战，在应用于5G和其他毫米波通信系统，如物联网连接、智能交通系统、高速数据传输等场景存在困难，具有进一步改进的必要。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种高带外抑制性、小尺寸一体化、毫米波高性能的滤波功放天线阵模块，旨在解决目前应用在5G等的射频前端中的各种器件一体化、高性能和小尺寸兼顾难的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种滤波功放天线阵模块，所述滤波功放天线阵模块包括基板、滤波器、功率放大器和阵列天线，所述阵列天线设置在所述基板的第一表面，所述滤波器设置在所述基板的第二表面；
所述功率放大器设置在所述基板的内部或第二表面，所述功率放大器通过金丝键合连接有输入微带线、输出微带线，所述输入微带线、输出微带线两侧的基板内设置金属接地柱形成CPW结构(共平面波导结构)；
所述滤波器包括多个谐振腔，多个所述谐振腔沿着u型或n型路径方向通过耦合窗口依次连接，位于u型或n型路径的一端的所述谐振腔插入有第一馈电探针、另一端的所述谐振腔插入有第二馈电探针，所述第一馈电探针与所述输出微带线连接，所述第二馈电探针与所述阵列天线的输入端连接。
本发明实施例提供的一种滤波功放天线阵模块，包括的功率放大器和滤波器的电路设置在基板上，在谐振腔引出馈电探针贯穿基板连接馈电线形成功分器馈电、及连接至阵列天线并辐射电磁波；该滤波天线阵模块具有高选择性、高带外抑制性的优点，适用于毫米波通信频段，且与未来通信电路的高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化高隔离的5G毫米波频段的产品中。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种滤波功放天线阵模块的爆炸结构示意图；
图2为一个实施例中功率放大器、滤波器和阵列天线之间的连接示意图；
图3为一个实施例中滤波器的等效电路图；
图4为一个实施例中滤波器和功率放大器的联合仿真图；
图5为一个实施例中滤波功放天线阵模块的S参数和增益曲线图；
图6至图11为一个实施例中滤波功放天线阵模块的多个频点方向图。
附图中：1-输入微带线；2-金丝；3-功率放大器；4-金属接地柱；5-第二介质层；6-金属接地层；7-第一介质层；8-传输线；9-天线单元；10-第一谐振腔；11-第二馈电探针；12-第一耦合窗口；13-第二耦合窗口；14-第三耦合窗口；15-第一盲孔；16-方槽；17-圆孔；20-第二谐振腔；25-第二盲孔；30-第三谐振腔；35-第三盲孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx元件称为第二xx元件，且类似地，可将第二xx元件称为第一xx元件。
随着射频无源器件的发展以及5G的广泛使用，为实现万物互联的目标，对涉及到传输信号的射频微波模块以及通信基站提出了更高的要求，使其需要不断优化提高性能和尺寸，这使得射频前端中的各种器件一体化是需要重点关注的对象，因此射频前端将朝着小型集成化和高性能的方向发展。
本发明实施例旨在提供一种新的解决方案，一种滤波功放天线阵模块，通过将高性能的滤波器和优化的阵列天线相结合；在毫米波频段实现集成高性能的滤波器和阵列天线。滤波器的作用是控制信号频谱，有效剔除多径干扰和噪声，确保信号的纯净性和稳定性；同时，可在设计时进行仿真分析来优化性能：阵列天线可以通过波束形成技术实现信号辐射和接收的方向性优化，提高信号的通信距离和覆盖范围。此外，滤波器的带宽和频率响应与阵列天线的设计密切相关，通过精确调整和优化这些参数，能够实现更好的信号滤波和波束形成效果。本发明实施例的滤波器和阵列天线的结合，在未来的毫米波通信领域具有广泛应用潜力；它可以应用于5G和其他毫米波通信系统，例如物联网连接，智能交通系统，高速数据传输等场景；并易于促进更多创新应用的实现。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种滤波功放天线阵模块的爆炸结构图，所述滤波功放天线阵模块包括基板、滤波器、功率放大器3和阵列天线，所述阵列天线设置在所述基板的第一表面，所述滤波器设置在所述基板的第二表面；
所述功率放大器3设置在所述基板的内部或第二表面，所述功率放大器3通过金丝2键合连接有输入微带线1、输出微带线，所述输入微带线1、输出微带线两侧的基板内设置金属接地柱4形成CPW结构(共平面波导结构)；
所述滤波器包括多个谐振腔，多个所述谐振腔沿着u型或n型路径方向通过耦合窗口依次连接，位于u型或n型路径的一端的所述谐振腔插入有第一馈电探针、另一端的所述谐振腔插入有第二馈电探针11，所述第一馈电探针与所述输出微带线连接，所述第二馈电探针11与所述阵列天线的输入端连接。
本实施例中，所述滤波器可以是一款n257频段的SIW滤波器，所述阵列天线是一分四传输信号的天线，SIW滤波器与一分四传输信号的天线级联；在所述输入微带线1、输出微带线两侧的基板内引入金属接地柱4形成CPW结构，降低能量损耗；通过金丝2键合连接内嵌在基板之上的特性阻抗为50Ω的微带线(输入微带线、输出微带线)，以此模拟有源功率放大器裸片；在输出微带线连接第一馈电探针，将输入的信号放大后传输至滤波器；滤波器通过第二馈电探针11连接阵列天线的输入端实现同轴馈电，将信号一分四传输至阵列天线的四个天线单元从而进行辐射；该滤波天线阵模块具有高选择性、高带外抑制性的优点，适用于毫米波通信频段，且与未来通信电路的高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化高隔离的5G毫米波频段的产品中。
本实施例的一个示例中，功率放大器3设置在所述基板的内部，即基板内设置有安装槽，将该功率放大器3内嵌设置在该安装槽内，并通过介质层进行覆盖；输入微带线1、输出微带线可以贴片设置在所述基板的第二表面，以附图1为例：基板的第二表面为基板的上表面，基板的第一表面为基板的下表面。
其中，所述功率放大器3的输入端、输出端通过金丝2键合连接有输入微带线1、输出微带线；并且，输入微带线1是特性阻抗为50欧姆的微带线，即所述输入微带线1的特性阻抗是50欧姆。
本实施例的一个示例中，功率放大器3设置在所述基板的第二表面，即基板内设置有安装槽，将该功率放大器3内嵌设置在该安装槽内，并平齐裸露于第二表面。
本实施例的一个示例中，第一馈电探针、第一馈电探针11均是金属馈电探针。
如图1、图2所示，在一个实施例中，所述基板包括第一介质层7、第二介质层5，所述第一介质层7与第二介质层5之间设置有金属接地层6。
本实施例的一个示例中，所述基板的材料使用Ferro-A6M材料，介电常数为5.9，损耗角正切为0.002。
本实施例的一个示例中，所述基板内嵌有砷化镓，使基板带有砷化镓衬底的优越性能，可以提高基板的性能。
本实施例的一个示例中，基板是采用LTCC(低温共烧陶瓷，Low Temperature Co-fired Ceramic)工艺加工制成的；本示例中，基板采用的材料为Ferro-A6M材料。
本实施例的一个示例中，滤波器也是与基板相同的工艺加工制成；本示例采用了LTCC工艺和谐振腔结构，具有小型化，低插损，高抑制，承受功率大，低成本等特点。
其中所述滤波器是采用Ferro-A6M材料通过LTCC工艺在900℃条件下进行烧结、叠层、静压加工制成；所述滤波器的工作频带在毫米波N257频段。
这样的话，本示例提供的滤波器，相比于现有Sub-6频段的陶瓷介质滤波器，首先该滤波器工作在毫米波N257频段，其次该滤波器采用LTCC工艺在900℃的条件下烧结、并叠层静压，相比于陶瓷介质波导滤波器，在模具加工而言实现形式更丰富，结构更加多样化。
如图1所示，在一个实施例中，多个所述谐振腔的中心设置有盲孔，其中部分盲孔的深度一致、半径不同。
在本实施例中，多个所述谐振腔分别为第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔、第五谐振腔和第六谐振腔，并且第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30与第六谐振腔、第五谐振腔和第四谐振腔呈对称设置；与之对应的耦合窗口分别是：第一耦合窗口12、第二耦合窗口13、第三耦合窗口14、第四耦合窗口和第五耦合窗口。
在设计滤波器时，以滤波器的整体尺寸为12x9.5x2.65mm为例：
统一盲孔深度为0.96mm，通过调节盲孔的半径进行频点的微调；上述设置在谐振腔内的盲孔分别是：第一盲孔15、第二盲孔25、第三盲孔35、第四盲孔、第五盲孔、第六盲孔。第一盲孔15、第二盲孔25、第三盲孔35的半径分别为0.19mm、0.31mm、0.28mm；各谐振腔之间的耦合窗口的厚度和高度一致，厚度为0.1mm，高度为1.7mm，通过调节耦合窗口的宽度实现感性耦合量的调节；例如第一耦合窗口、第二耦合窗口的宽度分别为1.47mm、1.14mm；第三耦合窗口连接第三谐振腔35、四谐振腔，宽度为1.26mm；
在一个实施例中，所述第一谐振腔10与第六谐振腔之间引入方槽16，所述第二谐振腔20与第五谐振腔之间引入圆孔17，形成交叉耦合从而引入传输零点；
具体的，在第一谐振腔10和第六谐振腔之间引入方槽16形成感性交叉耦合，在第二谐振腔20、五谐振腔之间引入圆孔17形成容性交叉耦合，从而形成两个回路的180°相位差的传输回路，引入传输零点提高滤波器的通带选择特性，滤波器的信号传输通路的相位变化如表1所示，双交叉耦合的滤波器的等效电路如图3所示；
表1为滤波器的信号传输通路的相位变化
在图3中，第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔、第五谐振腔和第六谐振腔，分别对应：谐振腔RLC1、谐振腔RLC2、谐振腔RLC3、谐振腔RLC4、谐振腔RLC5和谐振腔RLC6，依次通过上方的传输线k2、传输线k3，及下方的传输线k4、传输线k3、传输线k2进行串联连接，谐振腔RLC1、谐振腔RLC6之间通过电感CC1的连接实现感性耦合，谐振腔RLC2、谐振腔RLC5之间通过电容CC2的连接实现容性耦合；谐振腔RC1还通过传输线k1与输入/输出(即图中的Port1)相连，谐振腔RC6通过传输线k7连接输入/输出(即图中的Port2)。
如图1所示，在一个实施例中，多个所述谐振腔的中心设置有盲孔，并且所述盲孔的开口被设有的介质层遮蔽；这样的话，结合设置的方槽16和圆孔17，在第一谐振腔10、六谐振腔和第二谐振腔20、五谐振腔之间引入方槽16和圆孔17的结构分别形成感性和容性的交叉耦合，使得等效电路呈现180°的相位差，从而引入传输零点提高带外抑制特性；谐振腔的上方添加介质层形成盖子封堵盲孔，达到降低插损的效果。
本实施例中，通过多层介质层层叠式设置的滤波器来实现n257频段的滤波器设计，在减少外部隔离和匹配电路的情况下，可以直接在滤波器的壳体内部实现更好的匹配；相对于传统的滤波器来说，本滤波器具有集成度高、体积小、宽带宽、高隔离及工艺简单成本低的特点，能与未来电路高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化、高隔离的5G毫米波频段的产品中。
如图1所示，在一个实施例中，所述阵列天线包括传输线8和天线单元9，四个所述天线单元9呈矩形阵列设置；所述传输线8作为阵列天线的输入端，用于将所述第二馈电探针11传输的信号一分四传输至四个所述天线单元9，所述天线单元9的工作频带在毫米波N257频段。
在本实施例中，所述天线单元9的结构设置为呈凹型结构的贴片；所述传输线8设置为一分四的线路连接方式，构成一分四的功分器；功分器的输出端连接贴片的凹口处。
本实施例中的四个所述天线单元9呈矩形阵列设置，即构成了2X2的形式放置的天线单元9，能够有效的实现辐射效果，相比于1X4横向排列能够有效缩小尺寸，将信号一分四传输至四个天线单元9从而形成阵列，提高增益和带宽，阵列天线的工作频带在毫米波N257频段，可以应用于5G和其他毫米波通信系统，例如物联网连接，智能交通系统，高速数据传输等场景。还可通过提高通信质量、扩大覆盖范围和降低干扰，推动毫米波通信的进一步发展，并促进更多创新应用的实现。
在本实施例中，所述阵列天线中的天线单元9设置在基板的第一表面前：通过波束形成技术进行信号辐射和接收的方向性优化，以提高天线单元的通信距离和覆盖范围；进而提高信号的通信距离和覆盖范围。
其中，是在ADS软件进行仿真进行信号辐射和接收的方向性优化的。
在本实施例的一个示例中，在滤波功放天线阵模块生产制造时，按照仿真设计的参数进行，提高通信质量、扩大覆盖范围和降低干扰。
本示例中，在对滤波功放天线阵模块进行仿真设计后，可将滤波器和功率放大器3的仿真SNP文件导入到ADS软件进行联合仿真观察滤波放大特性，仿真结果如图4所示，由图4可以很明显看到，滤波器的滤波特性经由功率放大器3放大后，通带内S21能达到19.2dB；图5是本示例的滤波功放天线阵模块的S参数和增益曲线图，图示表明滤波功放天线阵模块的性能优越。
一个示例中，将第二馈电探针11延伸并贯穿基板，通过反焊盘与底部的传输线馈电连接，底部的传输线朝上下左右延伸形成一分四的功分器，分别对天线单元9馈电，形成2x2天线阵列辐射信号，天线单元的尺寸为2.18x2.03mm，由于贴片的中心阻抗低，越朝外阻抗越大，通过传输线向贴片内部延伸可以很方便的实现阻抗匹配；滤波器功放天线阵模块的增益和反射系数如图5所示，27.5GHz、28GHz、28.5GHz的E面和H面及主极化和交叉极化如图6-图11所示。
由图6-图11可以很明显看出，本滤波功放天线阵模块的仿真得到的阻抗带宽(|S11|<-10dB)为7.14％(27～29GHz)，增益曲线在通带上是理想的平坦。由于采用滤波器、功分器和阵列天线的级联结构，该模块的测量平均增益为9dBi，最大增益为9.2dBi，在26.72GHz和25.63GHz分别有两个辐射零点，如上所述，辐射零点是由于双交叉耦合的滤波器引起的，整个模块在通带内获得了稳定的轴视辐射特性，多个频点的E面和H面的主极化比相应的交叉极化对应物强22dB，天线也表现出准椭圆滤波响应。
在一个实施例中，如图1所示的滤波功放天线阵模块的制造步骤，包括：
使用Ferro-A6M材料，通过LTCC工艺在第一共烧温度条件下进行烧结、叠层、静压加工，制得第一介质层、第二介质层；
选定金属接地层的材料，并根据所述滤波功放天线阵模块的仿真结果切割金属接地层的尺寸；
将第一介质层、金属接地层、第二介质层通过LTCC工艺烧结，其烧结温度可以选定为第一共烧温度，或900℃至1100℃内的其他范围值或点值；
其中，在第二介质层中预留有金属接地柱4、供第一馈电探针贯通的第一孔；在第一介质层、金属接地层、第二介质层中预留有供第二馈电探针贯通的第二孔；
使用Ferro-A6M材料，通过LTCC工艺在第一共烧温度条件下进行烧结、叠层、静压加工，制得滤波器；
选定第一馈电探针、第二馈电探针和功率放大器；
在第二介质层的上表面刻蚀功率放大器的安装槽，将功率放大器内嵌在安装槽，并通过金丝与贴附在第二介质层的上表面的输入微带线、输出微带线连接；
在第一介质层的下表面贴附阵列天线，并连接输出微带线、滤波器、阵列天线。
本实施例的一个示例中，第二介质层的上表面采用第一刻蚀工艺刻蚀输入微带线、输出微带线和功率放大器的安装腔；在第一介质层的下表面采用第二刻蚀工艺刻蚀阵列天线的安装腔；所述第一刻蚀工艺、第二刻蚀工艺为现有技术的应用，在此不再赘述。
本发明上述实施例中提供了一种滤波功放天线阵模块，设置的滤波器、一分四的传输线8和四个天线单元9级联连接，通过这种级联结构将高性能的滤波器和优化的阵列天线相结合，具有高性能、一体化集成、尺寸更小的特点；实现在毫米波频段集成高性能滤波器和阵列天线；滤波器的作用是控制信号频谱，有效剔除多径干扰和噪声，确保信号的纯净性和稳定性；同时，阵列天线可以通过波束形成技术实现信号辐射和接收的方向性优化，提高通信距离和覆盖范围；滤波器的带宽和频率响应与阵列天线的设计密切相关，设计时通过精确调整和优化这些参数，能够实现更好的信号滤波和波束形成效果。该滤波器和阵列天线的级联结构，在毫米波通信领域具有广泛应用潜力；可以应用于5G和其他毫米波通信系统，如物联网连接，智能交通系统，高速数据传输等场景；能够推动毫米波通信的进一步发展，并促进更多创新应用的实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述滤波功放天线阵模块包括基板、滤波器、功率放大器和阵列天线，所述阵列天线设置在所述基板的第一表面，所述滤波器设置在所述基板的第二表面；
所述功率放大器设置在所述基板的内部或第二表面，所述功率放大器通过金丝键合连接有输入微带线、输出微带线，所述输入微带线、输出微带线两侧的基板内设置金属接地柱形成CPW结构；
所述滤波器包括多个谐振腔，多个所述谐振腔沿着u型或n型路径方向通过耦合窗口依次连接，位于u型或n型路径的一端的所述谐振腔插入有第一馈电探针、另一端的所述谐振腔插入有第二馈电探针，所述第一馈电探针与所述输出微带线连接，所述第二馈电探针与所述阵列天线的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述基板包括第一介质层、第二介质层，所述第一介质层与第二介质层之间设置有金属接地层。
3.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，多个所述谐振腔的中心设置有盲孔，其中部分盲孔的深度一致、半径不同。
4.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，多个所述谐振腔分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔和第六谐振腔，并且第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔与第六谐振腔、第五谐振腔和第四谐振腔呈对称设置；
所述第一谐振腔与第六谐振腔之间引入方槽，所述第二谐振腔与第五谐振腔之间引入圆孔，形成交叉耦合从而引入传输零点。
5.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，其中所述滤波器是采用Ferro-A6M材料通过LTCC工艺进行烧结、叠层、静压加工制成；所述滤波器的工作频带在毫米波N257频段。
6.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述基板的材料使用Ferro-A6M材料，介电常数为5.9，损耗角正切为0.002。
7.根据权利要求1所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述阵列天线包括传输线和天线单元，四个所述天线单元呈矩形阵列设置；所述传输线作为阵列天线的输入端，用于将所述第二馈电探针传输的信号一分四传输至四个所述天线单元，所述天线单元的工作频带在毫米波N257频段。
8.根据权利要求1或7所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述输入微带线的特性阻抗是50欧姆。
9.根据权利要求7所述的滤波功放天线阵模块，其特征在于，所述阵列天线中的天线单元设置在基板的第一表面前：通过波束形成技术进行信号辐射和接收的方向性优化，以提高天线单元的通信距离和覆盖范围。
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