CN117543200A - 一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于相控阵封装天线技术领域，提供一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，用以解决全金属相控阵封装天线在毫米波频段的应用难题。本发明采用电流曲折技术缩减单元横向尺寸，保证了相控阵天线栅瓣要求，并通过凹字形去耦结构和工字形去耦结构消除相邻天线单元之间耦合，同时采用非对称偶极子配合非对称馈电巴伦，克服了工艺要求与单元间距一致性的矛盾，使得本发明具备高效率辐射特性，并在大角度扫描条件下具有无栅瓣、无盲点的优点。综上，本发明提出的全金属相控阵封装天线能够工作于Ka频段，并具有辐射效率高、集成度高、波束扫描范围大的优点，其工作带宽大于17%，法向口径效率大于85%，扫描角度大于±50°。
Description
技术领域
本发明属于相控阵封装天线技术领域，具体提供一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线。
背景技术
封装天线（Antenna in Package，AiP）的概念最早由新加坡南洋理工大学提出，旨在描述天线与芯片的封装一体化集成，用以缩短馈电路径，从而同时实现高效率辐射和高度集成。有源相控阵封装天线是将多功能前端芯片与天线封装集成，结合了相控阵天线方向图快速调控的优势与封装天线高效集成的优势，能够获得更强的抗干扰能力及空间覆盖能力，用以满足当前通信、雷达领域的严苛指标要求。
目前，相控阵封装天线按照架构和工艺主要分为基于LICC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）基板的相控阵封装天线、基于PCB（Printed CircuitBoard，印刷电路板）的相控阵封装天线和基于Fan-out（扇出）工艺的相控阵封装天线，三者均具有多层介质基板的结构特征，因此，封装天线单元多采用微带贴片天线或者平面式偶极子天线，天线的辐射体被完全包裹在介质内部，造成不可避免的介质损耗，从而降低相控阵封装天线的效率。
在此基础上，金属天线的辐射体由金属构成，且周围介质为空气，因此，辐射体不存在介质损耗，使得相控阵封装天线具有更高效率。然而，在毫米波频段下，全金属相控阵封装天线中辐射体的精细结构难以加工与封装集成，现有结构也难以与工艺匹配；并且，空气介质导致封装天线单元尺寸较大，使得单元间距大于半波长，难以满足均匀扩展的密布平面相控阵在大角度扫描时对天线单元间距的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，使全金属相控阵封装天线能够工作于Ka频段，同时具备辐射效率高、集成度高、波束扫描范围大的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，由M×N个天线模块呈矩阵排布构成；其中，天线模块采用轴对称结构，包括：陶瓷基板1、上金属层2、下金属层3、天线单元4、馈电结构5、凹字形去耦结构6、工字形去耦结构7及中心支撑结构8；上金属层与下金属层分别设置于陶瓷基板的上表面与下表面，天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构及中心支撑结构设置于上金属层的上表面；
中心支撑结构采用圆形结构，设置于上金属层的中心；
天线模块包括四个天线单元，天线单元沿Y轴方向设置，且四个天线单元的相位中心按照正方形栅格排布，相邻天线单元的相位中心间距为0.5λ 0，λ 0为中心工作频率的自由空间波长，相邻天线模块之间的相邻天线单元的相位中心间距也为0.5λ 0；
天线模块包括四个凹字形去耦结构与两个工字形去耦结构，凹字形去耦结构与工字形去耦结构均沿X轴方向设置；对于Y轴方向的同一直线上的两个天线单元，两个天线单元背靠背设置，天线单元之间设置工字形去耦结构，天线单元外侧设置凹字形去耦结构，工字形去耦结构与凹字形去耦结构共同包围天线单元。
进一步的，天线模块中，天线单元包括：电偶极子天线与馈电巴伦，电偶极子天线由短辐射臂401与长辐射臂402构成，短辐射臂与长辐射臂均采用末端弯折结构，且弯折段的长度相同，长辐射臂的弯折段被工字形去耦结构包围，短辐射臂的弯折段被凹字形去耦结构包围，且弯折段与邻近去耦结构的间距相同；馈电巴伦由中心馈电金属柱403、中心接地金属柱404与第一支撑金属柱405、第二支撑金属柱406构成，中心馈电金属柱与中心接地金属柱采用金属圆柱，二者构成平行双线传输线；中心馈电金属柱上端连接长辐射臂的始端、下端连接馈电结构，中心接地金属柱上端连接短辐射臂的始端、下端接地；第一支撑金属柱与第二支撑金属柱采用金属方柱，支撑金属柱上端连接辐射臂、下端接地，且支撑金属柱与其对应辐射臂弯折段的间距相同。
更进一步的，天线单元中，电偶极子天线沿Y轴方向尺寸为0.39λ 0，长辐射臂与短辐射臂的长度比例为1:(0.6~0.8)。
更进一步的，电偶极子天线中，短辐射臂与长辐射臂的弯折段的长度为0.3~0.5H，H为偶极子天线的高度。
进一步的，相邻天线模块的间距为0.2~0.5mm。
进一步的，天线模块中，天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构与中心支撑结构的高度相同。
进一步的，天线模块中，馈电结构包括：GCPW走线501、馈电通孔502、下层PAD503及接地屏蔽孔504，GCPW走线设置于上金属层中，下层PAD设置于下金属层中，GCPW走线连接中心馈电金属柱，且GCPW走线与下层PAD通过馈电通孔连接，接地屏蔽孔包围GCPW走线、馈电通孔与下层PAD设置。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，采用电曲折技术缩减单元横向尺寸，保证了相控阵天线栅瓣要求，并通过凹字形去耦结构和工字形去耦结构的设计，消除相邻天线单元之间耦合，同时采用非对称偶极子配合非对称馈电巴伦，克服了工艺要求与单元间距一致性的矛盾；最终使得本发明具备高效率辐射特性，大角度扫描条件下无栅瓣、无盲点的优点。
综上，本发明提出的毫米波全金属相控阵封装天线能够工作于Ka频段，并具有辐射效率高、集成度高、波束扫描范围大的优点，其工作带宽大于17%，法向口径效率大于85%，扫描角度大于±50°。
附图说明
图1为本发明中三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线的二维拓扑结构示意图。
图2为本发明中三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线的天线模块的结构示意图。
图3为本发明中三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线的天线单元的结构示意图。
图4为本发明中三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线的馈电结构的结构示意图。
图5为实施例中天线模块的中心频率辐射方向图。
图6为实施例中天线模块的S11参数曲线图。
图7为实施例中毫米波全金属相控阵封装天线的中心频率E面扫描方向图。
图8为实施例中毫米波全金属相控阵封装天线的中心频率H面扫描方向图。
图9 为实施例中毫米波全金属相控阵封装天线的带内口径效率曲线图。
图2中，1为陶瓷基板，2为上金属层，3为下金属层，4为天线单元，5为馈电结构，6为凹字形去耦结构，7为工字形去耦结构，8为中心支撑结构；图3中，401为短辐射臂，402为长辐射臂，403为中心馈电金属柱，404为中心接地金属柱，405为第一支撑金属柱，406为第二支撑金属柱；图4中，501为GCPW走线，502为馈电通孔，503为下层PAD，504为接地屏蔽孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，工作于Ka频段，具有辐射效率高、集成度高、波束扫描范围大的优点；所述相控阵封装天线的结构如图1所示，由M×N个天线模块呈矩阵排布构成，天线模块的长度为W、宽度为L，相邻天线模块的间距均为S；本实施例中，相控阵封装天线沿XOY平面设置，长度指Y轴方向的尺寸，宽度指X轴方向的尺寸，高度指Z轴方向的尺寸；
所述天线模块如图2所示，采用轴对称结构，包括：陶瓷基板1、上金属层2、下金属层3、天线单元4、馈电结构5、凹字形去耦结构6、工字形去耦结构7及中心支撑结构8；所述上金属层与下金属层分别设置于陶瓷基板的上表面与下表面，所述天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构及中心支撑结构设置于上金属层的上表面；天线模块包括四个天线单元，天线单元沿Y轴方向设置，且四个天线单元的相位中心按照正方形栅格排布，相邻天线单元的相位中心间距为0.5λ 0，λ 0为中心工作频率的自由空间波长，相邻天线模块之间的相邻天线单元的相位中心间距也为0.5λ 0；天线模块包括四个凹字形去耦结构与两个工字形去耦结构，凹字形去耦结构与工字形去耦结构均沿X轴方向设置；对于Y轴方向的同一直线上的两个天线单元，两个天线单元背靠背设置，天线单元之间设置工字形去耦结构，天线单元外侧设置凹字形去耦结构；工字形去耦结构与凹字形去耦结构共同包围天线单元，有效抑制相邻天线单元间的耦合；中心支撑结构采用圆形结构，设置于上金属层的中心，便于天线模块的安装和定位；天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构与中心支撑结构的高度相同；
所述天线单元4如图3所示，包括：电偶极子天线与馈电巴伦，电偶极子天线由短辐射臂401与长辐射臂402构成，长辐射臂与短辐射臂的长度比例为1:(0.6~0.8)，短辐射臂与长辐射臂均采用末端弯折结构，且弯折段的长度h相同，均为0.3~0.5H，H为偶极子天线的高度；长辐射臂的弯折段被工字形去耦结构包围，短辐射臂的弯折段被凹字形去耦结构包围，且弯折段与邻近去耦结构的间距相同；馈电巴伦由中心馈电金属柱403、中心接地金属柱404与第一支撑金属柱405、第二支撑金属柱406构成，中心馈电金属柱与中心接地金属柱采用金属圆柱，二者构成平行双线传输线，支持TEM模式，作为馈电巴伦的主体结构；中心馈电金属柱上端连接长辐射臂的始端、下端连接馈电结构，中心接地金属柱上端连接短辐射臂的始端、下端接地；第一支撑金属柱与第二支撑金属柱采用金属方柱，既作为馈电巴伦的平衡结构，又作为偶极子天线的支撑结构；支撑金属柱上端连接辐射臂、下端接地，且支撑金属柱与其对应辐射臂弯折段的间距相同；
所述馈电结构5如图4所示，包括：GCPW（Ground Coplanar Waveguide，接地共面波导）走线501、馈电通孔502、下层PAD503及接地屏蔽孔504，GCPW走线通过图形化形成于上金属层中，下层PAD通过图形化形成于下金属层中，GCPW走线连接中心馈电金属柱，且GCPW走线与下层PAD通过馈电通孔连接，接地屏蔽孔包围GCPW走线、馈电通孔与下层PAD设置。
从工作原理上讲，相控阵封装天线沿E面的耦合较强，因此，本发明在天线模块中沿E面引入凹字形去耦结构与工字形去耦结构，有效抑制邻近单元天线之间的耦合；同时，位于中心位置的支撑结构将两个工字形去耦结构分隔开，能够割断Y轴方向电流，抑制交叉极化。在天线单元中，本发明采用长度比例为1:(0.6~0.8)的长辐射臂与短辐射臂构成非对称结构的电偶极子天线，匹配末端弯折结构设计，使得天线单元的整体尺寸小于半波长，并保证天线单元处于正常工作模式；同时，通过中心馈电金属柱、中心接地金属柱与第一支撑金属柱、第二支撑金属柱的设计，构成非对称的馈电巴伦，匹配非对称的辐射臂，实现电偶极子天线的平衡。在上述创新设计基础上，本发明提供了一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，能够工作于Ka频段，并具有辐射效率高、集成度高、波束扫描范围大的优点。
进一步的，本实施例中毫米波全金属相控阵封装天线采用8×8规模相控阵拓扑结构，即：M=N=4，每个模块包含四个天线单元；天线模块的尺寸为0.98λ 0×0.98λ 0，即：W=L=0.98λ 0，相邻天线模块的间距S的取值范围为0.2~0.5mm；天线单元中电偶极子天线沿Y轴方向尺寸D为0.39λ 0、高度H为0.18λ 0，中心支撑结构的直径至少大于1.5mm；8×8个天线模块通过BGA（Ball Grid Array，球栅阵列）或QFN（Quad Flat No-leads Package，扁平无引脚封装）焊接到PCB母板上完成系统集成，天线模块的立体金属区域采用UV-LIGA（Ultra-Violet-Lithographie, Galvanformung and Abformug，紫外光源光刻、电镀和注塑）工艺进行制备，加工精度达到微米量级，并且，UV-LIGA工艺可以直接在封装介质材料上成型，实现与芯片封装的一体化，具备了封装天线（AiP）概念的基本特征。
对本实施例中毫米波全金属相控阵封装天线及其中天线模块进行仿真测试，如图5所示为天线模块的中心频率辐射方向图，如图6所示为天线模块的S11参数，如图7所示为毫米波全金属相控阵封装天线的中心频率E面扫描方向图，如图8所示为毫米波全金属相控阵封装天线的中心频率H面扫描方向图，如图9所示为毫米波全金属相控阵封装天线的带内口径效率；由图可见，天线模块的四个端口的带内S11参数在17%的相对带宽内均在-12dB以下，四个端口等幅同相激励时实际增益（Realized Gain）为10.2dBi；毫米波全金属相控阵封装天线扫描到50°增益下降不超过3dB，带内口径效率在88%到93%之间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，由M×N个天线模块呈矩阵排布构成；其特征在于：
天线模块采用轴对称结构，包括：陶瓷基板（1）、上金属层（2）、下金属层（3）、天线单元（4）、馈电结构（5）、凹字形去耦结构（6）、工字形去耦结构（7）及中心支撑结构（8）；上金属层与下金属层分别设置于陶瓷基板的上表面与下表面，天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构及中心支撑结构设置于上金属层的上表面；
中心支撑结构采用圆形结构，设置于上金属层的中心；
天线模块包括四个天线单元，天线单元沿Y轴方向设置，且四个天线单元的相位中心按照正方形栅格排布，相邻天线单元的相位中心间距为0.5λ 0，λ 0为中心工作频率的自由空间波长，相邻天线模块之间的相邻天线单元的相位中心间距也为0.5λ 0；
天线模块包括四个凹字形去耦结构与两个工字形去耦结构，凹字形去耦结构与工字形去耦结构均沿X轴方向设置；对于Y轴方向的同一直线上的两个天线单元，两个天线单元背靠背设置，天线单元之间设置工字形去耦结构，天线单元外侧设置凹字形去耦结构，工字形去耦结构与凹字形去耦结构共同包围天线单元。
2.根据权利要求1所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：天线模块中，天线单元包括：电偶极子天线与馈电巴伦，电偶极子天线由短辐射臂（401）与长辐射臂（402）构成，短辐射臂与长辐射臂均采用末端弯折结构，且弯折段的长度相同，长辐射臂的弯折段被工字形去耦结构包围，短辐射臂的弯折段被凹字形去耦结构包围，且弯折段与邻近去耦结构的间距相同；馈电巴伦由中心馈电金属柱（403）、中心接地金属柱（404）与第一支撑金属柱（405）、第二支撑金属柱（406）构成，中心馈电金属柱与中心接地金属柱采用金属圆柱，二者构成平行双线传输线；中心馈电金属柱上端连接长辐射臂的始端、下端连接馈电结构，中心接地金属柱上端连接短辐射臂的始端、下端接地；第一支撑金属柱与第二支撑金属柱采用金属方柱，支撑金属柱上端连接辐射臂、下端接地，且支撑金属柱与其对应辐射臂弯折段的间距相同。
3.根据权利要求2所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：天线单元中，电偶极子天线沿Y轴方向尺寸为0.39λ 0，长辐射臂与短辐射臂的长度比例为1:(0.6~0.8)。
4.根据权利要求2所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：电偶极子天线中，短辐射臂与长辐射臂的弯折段的长度为0.3~0.5H，H为偶极子天线的高度。
5.根据权利要求1所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：相邻天线模块的间距为0.2~0.5mm。
6.根据权利要求1所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：天线模块中，天线单元、凹字形去耦结构、工字形去耦结构与中心支撑结构的高度相同。
7.根据权利要求1所述三维集成的毫米波全金属相控阵封装天线，其特征在于：天线模块中，馈电结构包括：GCPW走线（501）、馈电通孔（502）、下层PAD（503）及接地屏蔽孔（504），GCPW走线设置于上金属层中，下层PAD设置于下金属层中，GCPW走线连接中心馈电金属柱，且GCPW走线与下层PAD通过馈电通孔连接，接地屏蔽孔包围GCPW走线、馈电通孔与下层PAD设置。
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