CN212517486U - 天线结构和设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种天线结构及设备，包括：封装天线本体，具有辐射结构；以及位于所述辐射结构一侧，且中空设置的波导结构；其中，所述波导结构包括靠近所述辐射结构一侧的第一开口和背离所述辐射结构一侧的第二开口；沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述波导结构的横截面的面积逐渐增大。本申请实施例提供的天线结构，可实现在不增加封装叠层和封装面积的情况下大大提升天线的增益的效果。

Description

天线结构和设备

技术领域

本申请实施例涉及射频技术领域，尤其涉及一种天线结构和设备。

背景技术

伴随着无线系统级无线芯片(SoC)技术的快速发展，封装天线(Antenna inPackage，AiP)被广泛的应用在无线通信(如5G通信)及各种传感器(如各种车载雷达)等器件中设备中。

封装天线是将天线集成在芯片的封装结构中，其增益的大小与封装叠层数及封装面积成正比，基于封装成本及走线损耗等方面的考虑，目前封装天线的叠层数和封装面积均较小，无法满足诸如车载前向雷达、5G通信等需要较高增益应用场景的需求。

故而，在保持封装叠层数及封装面积不变的前提下，提升封装天线的增益来适应具有低成本高增益需求的应用场景已经成为当前业界亟待解决的技术难题。

申请内容

本申请实施例提供一种天线结构和设备，以实现在不增加封装叠层和封装面积的情况下大大提升天线的增益，从而适用于具有低成本高增益需求的应用场景。

本申请实施例提供了一种天线结构，可包括：

封装天线本体，具有辐射结构(如微带天线辐射结构)；以及

位于所述辐射结构一侧，且中空设置的波导结构；

其中，所述波导结构包括靠近所述辐射结构一侧的第一开口和背离所述辐射结构一侧的第二开口；沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述波导结构的横截面的面积逐渐增大。

可选地，所述天线的工作中心频率例如可以为77GHz。

本申请实施例中的天线结构，通过波导结构对天线的波束进行汇聚，在不增加封装叠层和封装面积的情况下，可大大提升天线的增益；此外本申请提供的波导结构相比于多层超材料的结构，设计简单，且尺寸较小。

在一个可选的实施例中，所述天线结构还可包括依次叠置的底部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和顶部金属层；

所述封装天线本体还包括馈线；

其中，所述辐射结构设置在所述顶部金属层；所述馈线设置在所述中间金属层；所述底部金属层为地层。

在一个可选的实施例中，所述波导结构的横截面的形状包括长方形、正方形、圆形、椭圆形和梯形中的任意一种。

在一个可选的实施例中，所述波导结构的横截面的形状包括长方形；

所述波导结构满足如下关系：

(L2-L1)/2＝(W2-W1)/2≈H；

其中，H为所述波导结构的高度，L1为所述第一开口的长，W1为所述第一开口的宽，L2为所述第二开口的长，W2为所述第二开口的宽。

在一个可选的实施例中，所述波导结构还包括斜面；所述斜面与所述天线所在平面的夹角为β，其中，40°≤β≤50°。

在一个可选的实施例中，所述波导结构的高度为0.5λ≤H≤λ，其中，λ为所述辐射结构辐射的电磁波波长。

在一个可选的实施例中，所述辐射结构位于所述第一开口在所述辐射结构所在平面的垂直投影围绕区域内。

在一个可选的实施例中，所述天线结构还可包括：位于所述波导结构背离所述封装天线本体一侧的介质透镜；

其中，所述介质透镜用于延迟非表面波的波速，以使所述波导结构的同一横截面上的所述非表面波和表面波的相位的差值在预设范围内；以及

所述表面波为所述天线辐射且沿所述波导结构的表面传播的波；所述非表面波为所述天线辐射且未沿所述波导结构的表面传播的波。

在一个可选的实施例中，沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述介质透镜的厚度相同。

本申请实施例还提供了一种天线结构，可包括：

封装天线本体，具有辐射结构；以及

喇叭形波导结构，罩设在所述辐射结构，用于将所述辐射结构所发射的信号汇聚向指定的方向。

在一个可选的实施例中，所述天线结构还可包括：

介质透镜，设置在所述喇叭形波导结构顶部开口端；

其中，所述喇叭形波导结构底部开口罩设在所述辐射结构的外围。

在一个可选的实施例中，所述介质透镜包括：

凸起部，所述凸起部在所述封装天线本体上的投影覆盖所述辐射结构；以及

支撑部件，用于将所述凸起部固定设置在所述喇叭形波导结构顶部开口端。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种设备，可包括：

设备本体；以及

设置于所述设备本体上如上述任意一项所述的天线结构。

在本实施例中，设备本体可为智能交通运输设备(如汽车、自行车、摩托车、船舶、地铁、火车等)、安防设备(如摄像头)、智能穿戴设备(如手环、眼镜等)、智能家居设备(如电视、空调、智能灯等)、各种通信设备(如手机、平板电能等)等，以及诸如道闸、智能交通指示灯、智能指示牌、交通摄像头及各种工业化机械手(或机器人)等。

本申请实施例中的天线结构及设备，通过在设置波导结构的基础上，设置介质透镜，通过介质透镜使表面波的波速降低，以使非表面波和表面波的相位在预设范围内，进一步提高天线增益，且介质透镜可以作为天线罩，对天线结构起到保护作用。

可选地，沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述介质透镜的厚度相同。

本申请实施例提供的天线结构及设备，通过在辐射结构的一侧设置波导结构，其中，波导结构包括靠近辐射结构一侧的第一开口和背离辐射结构一侧的第二开口；沿第一开口指向第二开口的方向，波导结构的横截面的面积逐渐增大，即喇叭形的波导结构，通过波导结构对辐射结构所发射信号的波束进行整形，以使辐射结构所发射信号波束汇聚，如此，在不增加封装叠层和封装面积的情况下，大大提升了天线的增益；且相比于传统的多层超材料的结构，本实施例提供的天线结构结构简单，尺寸较小，实现器件结构的小型化。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种天线结构的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种波导结构的俯视结构示意图；

图3是本申请实施例提供的又一种波导结构的俯视结构示意图；

图4是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种第一金属层的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种中间金属层的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的设置波导结构前后的封装天线的增益对比图；

图8是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的设置波导结构和介质透镜前后的封装天线的增益对比图；

图10是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图；

图11是本申请实施例提供的一种波导结构的俯视结构示意图；

图12是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图；

图13是本申请实施例提供的一种设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

图1是本申请实施例提供的一种天线结构的结构示意图，图2是本申请实施例提供的一种波导结构的俯视结构示意图，如图1和图2所示，本申请实施例提供的天线结构100可包括：封装天线本体10，包括辐射结构11；以及，位于辐射结构11一侧，且中空设置的波导结构20；其中，波导结构20包括靠近辐射结构11一侧的第一开口21和背离辐射结构11一侧的第二开口22；沿第一开口21指向第二开口22的方向，波导结构20的横截面的面积逐渐增大。

其中，波导结构20为一个底面(第一开口21)面积小，顶面(第二开口22)面积大的喇叭状的开口样式。可选地，波导结构20的横截面的形状例如可以包括长方形、正方形、圆形、椭圆形和梯形中的任意一种。可选地，波导结构20的材料例如可以包括金属。

需要注意的是，本申请实施例中的封装天线本体10可包括系统级无线芯片和设置在该系统级无线芯片封装结构中的封装天线，例如AiP毫米波雷达芯片等。

在本实施例中，通过波导结构20对辐射结构11的波束进行整形，以使分散的波束汇聚，如此，增加了辐射结构11的增益。

可选地，波导结构20可以设置在封装天线本体10上，也可以与封装天线本体10一体成型，本申请不进行具体限定。

可选地，继续参见图2，辐射结构11位于第一开口21在辐射结构11所在平面的垂直投影围绕区域内，如此，既不会因为第一开口21过大而起不到汇聚辐射结构11波束的作用，也不会由于第一开口21较小而阻挡辐射结构11波束。

需要说明的是，本实施例不对波导结构20的具体形状进行限定，只要可以对辐射结构11的波束进行汇聚即可。图2仅以波导结构20的横截面的形状为长方形为例，在其他可选的实施例中，波导结构20的横截面的形状例如为圆形，如图3所示。可以理解的是，波导结构20的形状例如可以与辐射结构11的形状相对应，如果辐射结构11为长方形贴片天线，则波导结构20的横截面的形状为长方形，参见图2；如果辐射结构11为圆形贴片天线，则波导结构20的横截面的形状为圆形，以使辐射结构11与波导结构20更贴合，因此对于不同形式的天线可以选择不同样式的波导结构20，只要可以实现对辐射结构11辐射的波束进行调整即可。

综上所述，本申请实施例提供的天线结构，通过在辐射结构的一侧设置波导结构，其中，波导结构包括靠近天线一侧的第一开口和背离辐射结构一侧的第二开口；沿第一开口指向第二开口的方向，波导结构的横截面的面积逐渐增大，通过波导结构对辐射结构的波束进行整形，以使辐射结构的波束汇聚，如此，在不增加封装叠层和封装面积的情况下，大大提升了辐射结构(即封装天线)的增益；且相比于传统多层超材料的结构，本实施例提供的天线结构的结构简单，尺寸较小，实现器件结构的小型化。

图4是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图，图5是本申请实施例提供的一种顶部金属层的结构示意图，图6是本申请实施例提供的一种中间金属层的结构示意图。如图4、图5和图6所示，天线结构100还包括依次叠置的底部金属层30、第一介质层40、中间金属层50、第二介质层60和顶部金属层70；封装天线本体10还包括馈线12；其中，辐射结构11设置在顶部金属层70；馈线12设置在中间金属层50；底部金属层30为地。

示例性的，顶部金属层70蚀刻了一个矩形贴片辐射结构11，主要依靠矩形贴片112和矩形缝隙111辐射，矩形贴片辐射结构11的工作中心频率例如可以在10GHz、77GHz、180GHz等。中间金属层50刻蚀出馈线12，可利用金属通孔AA为顶部金属层70的辐射结构11馈电。可选地，波导结构20的第一开口21的大小和矩形缝隙111大小一致，即矩形贴片112在波导结构20的第一开口21的围绕区域内，且波导结构20的第一开口21的大小和矩形缝隙111的大小近似，如此，既不会因为波导结构20过大而起不到汇聚辐射结构11波束的作用，也不会由于波导结构20较小而阻挡辐射结构11波束。

此外，由于天线封装在芯片内部，整个封装天线的整体高度仅仅为0.3mm左右，而77GHz对应的电磁波波长大约是3.9mm，即封装天线的体积小；且波导结构20的高度也较小，如此，本申请实施例提供的天线结构100的体积小，实现器件结构的小型化。

可选地，继续参见图1和图2，波导结构20的横截面的形状包括长方形；波导结构20满足如下关系：(L2-L1)/2＝(W2-W1)/2≈H；其中，H为波导结构20的高度，L1为第一开口21的长，W1为第一开口21的宽，L2为第二开口22的长，W2为第二开口22的宽。

其中，波导结构20的第二开口大小L2和W2和高度H相关，一般取值为：(L2-L1)/2＝(W2-W1)/2≈H。L2和W2取值太小，会导致辐射结构11的波束宽度减小，而增大L2和W2取值，会使得辐射结构11的波束宽度变大。在实际应用中，可以结合对天线波束宽度的需求，灵活调整开口大小。示例性的，本实施例采用的波导结构20尺寸为，L1＝2mm，W1＝1.25mm，L2＝8mm，W2＝4.25mm，H＝2mm。本领域技术人员可以理解，波导结构20的尺寸包括但不限于上述尺寸，本领域技术人员可以根据产品所需自行设定波导结构20的尺寸，在本申请中不进行具体限制。

可选地，继续参见图1，波导结构20还包括斜面23；斜面23与辐射结构11所在平面的夹角为β，其中，40°≤β≤50°。可以理解的是，本领域技术人员可以根据产品所需自行设定斜面23与辐射结构11所在平面的夹角，在本申请中不进行具体限制。

可选地，继续参见图1，波导结构20的高度为0.5λ≤H≤λ，其中，λ为天线辐射的电磁波波长。

将波导结构20的高度设置在0.5λ到λ之间，即不会因为波导结构20的高度过高而导致波导结构20的尺寸过大，也不会因为波导结构20的高度过小以使波导结构20的汇聚效果不明显，因此，本实施例较佳的设置波导结构20的高度为0.5λ≤H≤λ，以在保证波导结构20对天线的波束汇聚的同时，保证了波导结构20的较小体积，即保证了天线结构100的尺寸较小，实现器件结构的小型化。

图7是本申请实施例提供的设置波导结构前后的封装天线的增益对比图，如图7所示，微带天线的正向增益大约是6.5dBi，而加装了波导结构以后，天线的正向增益提升到11.3dBi，提升了大约5dB，相应的雷达的探测距离能提升为1.7倍左右。

可选地，图8是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图，如图8所示，天线结构100还包括：位于波导结构20背离封装天线本体10一侧的介质透镜80；其中，介质透镜80用于延迟非表面波的波速，以使同一横截面上的非表面波和表面波的相位的差值在预设范围内；其中，表面波为天线辐射且沿着波导结构20的表面传播的波；非表面波为天线辐射且未沿波导结构20的表面传播的波。

在本实施例中，当设置波导结构20后，天线辐射的波束包括沿波导结构20表面的波，即表面波，和直接辐射的非表面波；由于表面波的波速慢，而非表面波的波速快，所以本实施例通过设置介质透镜80，通过介质透镜80延迟非表面波的波速，如此，使得沿波导结构20表面的表面波的相位和直接辐射的非表面波的相位是等相位的，进一步提高天线增益；且附加的介质透镜80能作为天线罩，起到保护封装结构的作用。

可选地，介质透镜80例如可以由一个被中心挖空的半圆柱体81和两侧的长方体82构成。本领域技术人员可以理解，介质透镜80的形状包括但不限于上述示例，本领域技术人员可以根据产品所需自行设定介质透镜80的形状，在本申请中不进行具体限制，只要使非表面波和表面波的相位的差值在预设范围内即可。

可选的，继续参见图8，第一开口21指向第二开口22的方向，介质透镜M的厚度相同。如此，使得非表面波的相位相同。

其中，可通过改变介质透镜M来改变非表面波的相位，使得沿波导结构20表面的表面波的相位和直接辐射的非表面波的相位是等相位的。

图9是本申请实施例提供的设置波导结构和介质透镜前后的封装天线的增益对比图，如图9所示，微带天线的正向增益大约是6.5dBi，而加装了波导结构和介质透镜以后，天线的正向增益提升到13.1dBi，提升了大约6.5dB，相应的雷达的探测距离能提升为2倍左右。本申请实施例提出的增加天线增益的波导结构和介质透镜的大约高度为77GHz对应的一个自由空间波长，也就是3.9mm左右，远远低于传统天线结构中的高度，即本申请实施例提供的天线100的体积小，实现了器件结构的小型化的效果。

基于同样的发明构思，本申请又提供了一种天线结构，图10是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图，图11是本申请实施例提供的一种波导结构的俯视结构示意图，如图10和图11所示，天线结构100包括：封装天线本体10’，具有辐射结构11’；以及喇叭形波导结构20’，罩设在辐射结构11’的外围，用于将辐射结构11’所发射的信号汇聚向指定的方向。

需要说明的是，为了区分与上述实施例的不同，本实施例中相同的结构采用了不同的附图标记，下述实施例相同，后续不再赘述。

可选地，图12是本申请实施例提供的又一种天线结构的结构示意图，参见图12，天线结构100还包括：介质透镜80’，设置在喇叭形波导结构20’顶部开口端；其中，喇叭形波导结构20’底部开口罩设在辐射结构11’的外围。

可选地，继续参见图12，介质透镜80’包括：凸起部81’，凸起部81’在封装天线本体10’上的投影覆盖辐射结构11’；以及支撑部件82’，用于将凸起部81’固定设置在喇叭形波导结构20’顶部开口端。

基于同样的发明构思，本申请还提供了一种设备，图13是本申请实施例提供的设备包括：设备本体200；以及设置于设备本体200上如上述任一实施例的天线结构100。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：

封装天线本体，具有辐射结构；以及

位于所述辐射结构一侧，且中空设置的波导结构；

其中，所述波导结构包括靠近所述辐射结构一侧的第一开口和背离所述辐射结构一侧的第二开口；沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述波导结构的横截面的面积逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，还包括依次叠置的底部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和顶部金属层；

所述封装天线本体还包括馈线；

其中，所述辐射结构设置在所述顶部金属层；所述馈线设置在所述中间金属层；所述底部金属层为地层。

3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述波导结构的横截面的形状包括长方形、正方形、圆形、椭圆形和梯形中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述波导结构的横截面的形状包括长方形；

所述波导结构满足如下关系：

(L2-L1)/2＝(W2-W1)/2≈H；

其中，H为所述波导结构的高度，L1为所述第一开口的长，W1为所述第一开口的宽，L2为所述第二开口的长，W2为所述第二开口的宽。

5.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于，所述波导结构还包括斜面；所述斜面与所述天线所在平面的夹角为β，其中，40°≤β≤50°。

6.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于，所述波导结构的高度为0.5λ≤H≤λ，其中，λ为所述辐射结构所发射信号的波长。

7.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射结构位于所述第一开口在所述辐射结构所在平面的垂直投影围绕区域内。

8.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，还包括：位于所述波导结构背离所述封装天线本体一侧的介质透镜；

其中，所述介质透镜用于延迟非表面波的波速，以使所述波导结构的同一横截面上的所述非表面波和表面波的相位的差值在预设范围内；以及

所述表面波为所述天线辐射且沿所述波导结构的表面传播的波；所述非表面波为所述天线辐射且未沿所述波导结构的表面传播的波。

9.根据权利要求8所述的天线结构，其特征在于，沿所述第一开口指向所述第二开口的方向，所述介质透镜的厚度相同。

10.一种天线结构，其特征在于，包括：

封装天线本体，具有辐射结构；以及

喇叭形波导结构，罩设在所述辐射结构的外围，用于将所述辐射结构所发射的信号汇聚向指定的方向。

11.根据权利要求10所述的天线结构，其特征在于，还包括：

介质透镜，设置在所述喇叭形波导结构顶部开口端；

其中，所述喇叭形波导结构底部开口罩设在所述辐射结构的外围。

12.根据权利要求11所述的天线结构，其特征在于，所述介质透镜包括：

凸起部，所述凸起部在所述封装天线本体上的投影覆盖所述辐射结构；以及

支撑部件，用于将所述凸起部固定设置在所述喇叭形波导结构顶部开口端。

13.一种设备，其特征在于，包括：

设备本体；以及

设置于所述设备本体上如权利要求1-12所述的天线结构。

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