CN218215691U - 一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，平行且无遮挡覆盖在芯片天线正上方，且和芯片天线之间存在净空距离；所述传输阵透镜结构划分为若干水平阵列排列的传输阵单元，每个传输阵单元包括由下而上依次设置的三层相同的超材料结构层和ABS塑料层，相邻超材料结构层之间设置PMI泡沫层；每个传输阵单元的超材料结构层均包括介质基板和设置于介质基板上的1个覆铜结构，所述覆铜结构包括“十”字覆铜线以及延长覆铜线，不同传输阵单元设置的延长覆铜线的长度根据相位延时进行调节。本实用新型在提高芯片天线增益的同时，对产品外形和尺寸的改变较小，有利于产品小型化。

Description

一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构。

背景技术

现有技术中，对于部分商用雷达芯片，其将天线集成在PCB板上的芯片表面，称为芯片天线，但由于尺寸和材料的局限性，这类芯片天线普遍存在增益和效率低等缺陷。在电路小型化趋势下，芯片天线使用率愈来愈高，但是商用的芯片天线的性能并不能适用于所有场景，且无法改变芯片天线自身结构，因此为了提高芯片天线的增益，需在芯片外围做一些结构设计达到能量汇聚作用以提高增益，主要结构有：

1、增大PCB板尺寸，将PCB板当作芯片天线的外置反射板，将芯片天线的后向辐射反射到前向，提高芯片天线的定向性，增大反射板面积可以提高增益；

2、在芯片天线上方增加介质透镜，通过改变介质透镜不同位置的介质厚度对入射波的相位进行改变，实现能量汇聚，提高增益；

3、加载金属喇叭，通过改变金属喇叭的扩口和高度，在更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性，提高增益。

然而，上述结构在提高增益的同时，还具有如下弊端：

1、利用PCB板提高芯片天线增益时，增益和PCB板面积成正比，面积越大，增益越高，但面积增加会导致产品的外形尺寸变大，在产品外形受限的情况下，有限大的PCB板对芯片天线增益提高较弱；

2、利用介质透镜提高增益时，需要调节不同位置的介质厚度来调节相位，达到等相位波前辐射，缺点是通常介质透镜的厚度较厚，增加了产品的剖面高度和重量；

3、利用金属喇叭提高增益时，是由芯片天线口径渐变到一个较大的喇叭口径，在喇叭口上获得均匀的口径分布，在相同口径条件下，喇叭越长口径分布越均匀，而芯片天线的增益与口径成正比，因此想要提高增益需要一个较大的金属喇叭，缺点是会使产品的尺寸变大、重量增加。

总的来说，上述结构在提高芯片天线增益的同时，均会不可避免的对产品的外形和尺寸产生较大的影响。因此设计一种结构，在提高芯片天线增益的同时，尽量减小对产品外形和尺寸的改变，是十分必要的。

实用新型内容

技术目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型公开了一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，在提高芯片天线增益的同时，对产品外形和尺寸的改变较小。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：所述传输阵透镜结构平行且无遮挡覆盖在芯片天线正上方，且和芯片天线之间存在净空距离；

所述传输阵透镜结构划分为若干水平阵列排列的传输阵单元，每个传输阵单元包括由下而上依次设置的三层相同的超材料结构层和ABS塑料层，相邻超材料结构层之间设置PMI泡沫层，超材料结构层与PMI泡沫层之间、超材料结构层与ABS塑料层之间均紧密贴合；

每个传输阵单元的超材料结构层均包括介质基板和设置于介质基板上的1个覆铜结构，同一传输阵单元中的覆铜结构在介质基板上设置的位置和尺寸相同；

所述覆铜结构为轴对称结构，包括“十”字覆铜线以及在“十”字覆铜线的每边末端垂直延伸出的延长覆铜线，同一个覆铜结构中的延长覆铜线的长度相同；

不同传输阵单元设置的延长覆铜线的长度根据相位延时进行调节。

优选的：传输阵透镜结构和芯片天线之间的净空距离使得传输阵透镜结构覆盖芯片天线辐射的10dB电磁波束范围。

优选的：PMI泡沫层的厚度为1/4的芯片天线中心工作频率的波长。

优选的：每个传输阵单元水平横截面边长为1/2的芯片天线中心工作频率的波长。

优选的：覆铜结构的边长≤每个传输阵单元水平横截面边长-0.12mm。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所述传输阵透镜结构，相对于通过增大PCB板提高增益，可在较小PCB板面积的情况下提高更多增益，且增益提高效率较高；相对于加装介质透镜提高增益，可有效降低透镜的剖面高度和透镜重量，有利于产品小型化；相对于加装金属喇叭提高增益，可极大的减小产品高度和重量，且相较于喇叭的固定波束指向，可灵活改变波束指向。

附图说明

图1为本实用新型所述传输阵透镜结构及其与芯片天线位置关系的示意图；

图2为本实用新型所述传输阵透镜结构中超材料结构层的示意图；

图3为本实用新型所述传输阵透镜结构中超材料单元结构的示意图；

图4为加载本实用新型所述传输阵透镜结构前后，芯片天线E面在60GHz处的增益方向对比图；

图5为加载本实用新型所述传输阵透镜结构前后，芯片天线H面在60GHz处的增益方向对比图；

其中，超材料结构层1，PMI泡沫层2，ABS塑料层3，芯片天线4，介质基板11，覆铜结构12，“十”字覆铜线121，延长覆铜线122。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明和解释。

本实用新型公开了一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，如图1所示，所述传输阵透镜结构平行覆盖在芯片天线4正上方，且和芯片天线4之间有一定的净空距离，同时传输阵透镜结构和芯片天线4之间无遮挡。芯片天线4作为馈源，辐射电磁波到传输阵透镜结构上，利用传输阵透镜结构对电磁波进行相位补偿，使得传输阵透镜结构上方的电磁波相位分布均匀，从而达到提高增益的效果。

其中，传输阵透镜结构和芯片天线4之间的净空距离根据芯片天线4的性能决定，一般使得传输阵透镜结构覆盖芯片天线4辐射的10dB电磁波束范围即可。

如图1所示，传输阵透镜结构包括三层相同的超材料结构层1，相邻超材料结构层1之间使用PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫层2做支撑，位于最上层的超材料结构层1上方覆盖有ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)塑料层3，超材料结构层1与PMI泡沫层2之间、超材料结构层1与ABS塑料层3之间均紧密贴合。本实用新型的一种实施例中，超材料结构层1与PMI泡沫层2之间、超材料结构层1与ABS塑料层3之间均使用胶水粘接，或者超材料结构层1与PMI泡沫层2之间、超材料结构层1与ABS塑料层3之间均设计相关机械结构件进行固定。

其中，为了减小介质损耗，超材料结构层1的厚度尽可能薄；

PMI泡沫层2的厚度约为1/4的芯片天线4中心工作频率的波长；

ABS塑料层3的不同材料类型和厚度都会导致超材料结构层1的结构尺寸不同。具体的，ABS塑料层3的材料相同但厚度不同，厚度越大，ABS塑料层3产生的相位变化越大；ABS塑料层3的厚度相同但材料不同，材料的介电常数越大，ABS塑料层3产生的相位变化越大，确定传输阵透镜结构和芯片天线4之间的净空距离后整个传输阵透镜结构所需调相值即可确定，因此超材料结构层1和ABS塑料层3整体所要调整的相位即确定。例如ABS塑料层3加厚，ABS塑料层3产生的相位变化增大，此时超材料结构层1的相位变化就需要减小，即需要修改超材料结构层1的结构尺寸。

如图2、图3所示，所述超材料结构层1为在介质基板11上设置若干覆铜结构12形成，所述覆铜结构12为轴对称结构，包括“十”字覆铜线121以及在“十”字覆铜线的每边末端垂直延伸出的延长覆铜线122，同一个覆铜结构12中的延长覆铜线122的长度相同。如图3中，a为延长覆铜线122的长度，b为覆铜结构12的边长。

所述传输阵透镜结构可划分为若干在水平面上阵列排列的传输阵单元，如图3所示，p为每个传输阵单元水平横截面的边长，每个传输阵单元包括三层相同的超材料结构层1、相邻超材料结构层1之间的PMI泡沫层2以及位于最上层的超材料结构层1上方的ABS塑料层3，每个传输阵单元的每层超材料结构层1均包括介质基板和设置于介质基板上的1个覆铜结构12，同一传输阵单元覆铜结构12在介质基板上设置的位置和尺寸相同。

本实用新型所述超材料结构层1有着低传输损耗和相位延时特性，其中：

延长覆铜线122的长度不同即可产生不同的相位延时，因此，当馈源(即芯片天线4)发射的电磁波到达传输阵透镜结构时，根据每个传输阵单元的位置即到达每个传输阵单元的波程不同，调节每个传输阵单元中延长覆铜线122的长度，从而调节每个传输阵单元的相位延时，进行相位补偿，将馈源辐射的球面电磁波转换为某一指定方向的平面波，实现该方向的高增益波束。

延长覆铜线122的长度a、覆铜结构12的边长b、传输阵单元水平横截面边长p以及“十”字覆铜线121和延长覆铜线122的线宽共同决定传输损耗，一般通过优化上述参数使得传输损耗小于3dB。一般的，设计传输阵单元水平横截面边长p为1/2的芯片天线4中心工作频率的波长，同时为了加工精度，“十”字覆铜线121和延长覆铜线122的线宽大于或等于0.12mm，覆铜结构12的边长b满足b≤(p-0.12)mm。

本实用新型所述传输阵透镜结构，相对于通过增大PCB板提高增益，可在较小PCB板面积的情况下提高更多增益，且增益提高效率较高；

相对于加装介质透镜提高增益，可有效降低透镜的剖面高度和透镜重量，有利于产品小型化；

相对于加装金属喇叭提高增益，可极大的减小产品高度和重量，且相较于喇叭的固定波束指向，可灵活改变波束指向，具体的：芯片天线加载喇叭后其辐射方向垂直于喇叭口面，如果想要使芯片天线的波束偏转较难，只有彻底改变喇叭结构使喇叭口面向于波束指向角度，宏观上看较大的改变了产品的外形；本实用新型的传输阵透镜结构可在宏观尺寸不变情况下只更改内部单元尺寸即可实现指定方向的波束，例如同时设计0°和30°波束指向的喇叭和传输阵透镜结构，两种喇叭的尺寸相差很大，而两种传输阵透镜结构的外观基本不变。

实施例

本实施例提供了一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，该传输阵透镜结构使用在毫米波频段，超材料结构层1的介质基板11选用FR4板材，尺寸为27mm×27mm×0.07mm；相邻超材料结构层1之间选用低介电常数的PMI泡沫层2做支撑，尺寸为27mm×27mm×1.2mm；最上层超材料结构层1顶部使用的通用工程ABS塑料层3，尺寸为27mm×27mm×1mm；超材料结构层1与PMI泡沫层2之间、超材料结构层1与ABS塑料层3之间使用适量不干胶水粘合。传输阵透镜结构距离芯片天线的高度是5mm。本实施例中的传输阵透镜结构包括13×13个传输阵单元，每个传输阵单元的水平横截面为正方形，边长为p＝2mm，每个传输阵单元中“十”字覆铜线121和延长覆铜线122的线宽为0.12mm，其中覆铜结构12的边长b＝1.88mm，延长覆铜线122的长度a根据每个传输阵单元所需调节相位延迟的不同而变化。本实施例中具体每个传输阵单元的延长覆铜线122的长度a的尺寸见下表1。

表1

图4为加载本实施例所述传输阵透镜结构前后，芯片天线E面在60GHz处的增益方向对比图，其中实线表示为加载本实施例所述传输阵透镜结构，虚线表示已加载本实施例所述传输阵透镜结构；图5为加载本实施例所述传输阵透镜结构前后，芯片天线H面在60GHz处的增益方向对比图，其中实线表示为加载本实施例所述传输阵透镜结构，虚线表示已加载本实施例所述传输阵透镜结构。从图4和图5中可以看出，加载本实施例所述传输阵透镜结构后，芯片天线在60GHz的增益由4.5dB增加到12.7dB，E面波束宽度由57°压窄到19°，H面波束宽度由82°压窄到19°，从而验证了本实施例所述传输阵透镜结构的有效性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：所述传输阵透镜结构平行且无遮挡覆盖在芯片天线(4)正上方，且和芯片天线(4)之间存在净空距离；

所述传输阵透镜结构划分为若干水平阵列排列的传输阵单元，每个传输阵单元包括由下而上依次设置的三层相同的超材料结构层(1)和ABS塑料层(3)，相邻超材料结构层(1)之间设置PMI泡沫层(2)，超材料结构层(1)与PMI泡沫层(2)之间、超材料结构层(1)与ABS塑料层(3)之间均紧密贴合；

每个传输阵单元的超材料结构层(1)均包括介质基板(11)和设置于介质基板(11)上的1个覆铜结构(12)，同一传输阵单元中的覆铜结构(12)在介质基板(11)上设置的位置和尺寸相同；

所述覆铜结构(12)为轴对称结构，包括“十”字覆铜线(121)以及在“十”字覆铜线的每边末端垂直延伸出的延长覆铜线(122)，同一个覆铜结构(12)中的延长覆铜线(122)的长度相同；

不同传输阵单元设置的延长覆铜线(122)的长度根据相位延时进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：传输阵透镜结构和芯片天线(4)之间的净空距离使得传输阵透镜结构覆盖芯片天线(4)辐射的10dB电磁波束范围。

3.根据权利要求1所述的一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：PMI泡沫层(2)的厚度为1/4的芯片天线(4)中心工作频率的波长。

4.根据权利要求1所述的一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：每个传输阵单元水平横截面边长为1/2的芯片天线(4)中心工作频率的波长。

5.根据权利要求1所述的一种提高芯片天线增益的传输阵透镜结构，其特征在于：覆铜结构(12)的边长≤每个传输阵单元水平横截面边长-0.12mm。

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