相位阻抗校準的封裝夾層天線的製作方法

2023-06-01 00:56:26 2

專利名稱：相位阻抗校準的封裝夾層天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種喇叭天線，尤其是一種相位阻抗校準的封裝夾層天線。
背景技術：
採用疊層三維多晶片(3D-MCM)技術，可以把一個射頻系統集成在一個三維疊層封裝內，為此也需要把天線集成在封裝上。通常是在封裝的表面集成天線，例如把貼片天線集成在封裝的最上面。但是有時會需要把天線集成在封裝中間的一個夾層以滿足系統的需要。如果在封裝內部夾層中集成喇叭天線就可以實現上述要求。但是，通常喇叭天線是非平面的，與平面電路工藝的不兼容、具有的較大的幾何尺寸，從而限制了其在封裝結構上的應用。近年來，基於基片集成波導技術發展的基片集成波導喇叭天線具有尺寸小、重量輕、易於平面集成的特點，但傳統的基片集成波導喇叭天線的增益相對比較低，其原因在於由於喇叭口不斷的張開，導致電磁波傳播到喇叭口徑面時出現相位不同步，口徑電場強度的 相位分布不均勻，輻射方向性和增益降低，而且口徑面上電磁波的波阻抗不同於自由空間的波阻抗，在介質與空氣分界面上會引起電磁波反射、影響了天線的回波損耗和輻射性能。目前已有採用介質加載、介質稜鏡等方法，矯正喇叭口徑面相位的不同步，但是這些方法都不能改善口徑面上喇叭天線與自由空間波阻抗的不一致，也不能改善口徑面上電磁場幅度分布的均勻性，而且這些相位校準結構增加了天線的整體結構尺寸，不適合集成到封裝內部夾層。

發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，該天線內部嵌有金屬化過孔陣列可以改善天線口徑面上電磁波的相位均勻性以及避免天線在介質與自由空間分界面上的反射，提高三維封裝夾層天線的口徑效率和增益。技術方案本發明的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線包括設置在介質基板上的微帶饋線、基片集成波導喇叭天線和內嵌金屬化過孔，介質基板在三維封裝的內層；所述微帶饋線通過共面波導與三維封裝的內部電路相連；基片集成波導喇叭天線由位於介質基板一面的底面金屬平面、位於介質基板另一面的頂面金屬平面和穿過介質基板連接底面金屬平面頂面金屬平面的金屬化過孔喇叭側壁組成；基片集成波導喇叭天線中內嵌的金屬化過孔連接底面金屬平面和頂面金屬平面，並構成多個金屬化過孔陣列；金屬化過孔陣列在喇叭天線中形成多個介質填充波導，介質填充波導在天線口徑面上埠的波阻抗等於自由空間波阻抗。所述的微帶饋線的一端與喇ΠΛ天線相連，微帶饋線的另一端靠近封裝側面，是天線的輸入輸出埠 ；微帶饋線通過天線輸入輸出埠與封裝側面的共面波導的一端相連，共面波導的另一端與封裝內部電路相連。所述的基片集成波導喇叭天線由窄截面波導、喇叭形波導和寬截面波導串接構成；窄截面波導的一端是微帶饋線，窄截面波導的另一端與喇叭形波導相連，喇叭形波導的一端與窄截面波導相連，喇叭形波導的另一端與寬截面波導相連，寬截面波導的另一端是天線口徑面。所述的金屬化過孔陣列形狀都是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，金屬化過孔陣列的頭端都朝著微帶饋線方向，金屬化過孔陣列的尾端在天線口徑面上。所述的金屬化過孔陣列中的頭端直線段或者尾端直線段的形狀可以是直線、折線或者其它曲線，其長度可以是零或者是有限長度。所述的金屬化過孔陣列中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，多邊形的一條邊或者多條邊的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。所述的介質填充波導的寬度均要保證其主模可以在介質填充波導中傳輸而不被截止。 所述的介質填充波導的一端均朝著微帶饋線方向，其另一端均在天線口徑面上，並且介質填充波導在天線口徑面上埠的寬度都一樣。選擇金屬化過孔陣列中頭端直線段或多邊形在左邊介質填充波導中的位置，使得通過介質填充波導傳輸的多路電磁波同相到達天線的口徑面上。金屬化過孔喇叭側壁中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小於或等於工作波長的十分之一，使得構成的金屬化過孔喇叭側壁能夠等效為電壁；相鄰的兩個金屬化過孔的間距要等於或者小於工作波長的十分之一，使得構成的中間金屬化過孔陣列、左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列可以等效為電壁。在介質填充波導中，電磁波主模(TE10模)的傳播相速和波阻抗都與介質填充波導的寬度有關，介質填充波導的寬度越寬，主模的傳播相速和波阻抗就越低；反之，介質填充波導的寬度越窄，主模的傳播相速和波阻抗就越高。來自封裝內部電路的電磁波信號經過三維封裝側面的共面波導進入天線輸入輸出埠，再通過微帶饋線進入到基片集成波導喇叭天線，在向天線的口徑面方向傳播一段距離後，遇到金屬化過孔陣列，就分成多路分別進入各個介質填充波導傳輸，再經過這些介質填充波導到達天線的口徑面。調整金屬化過孔陣列頭端離微帶饋線的距離，可以改變介質填充波導的長度；調整金屬化過孔陣列中多邊形頂點的位置可以改變由該金屬化過孔陣列隔開的相鄰兩個介質填充波導中電磁波傳輸的相對相速；這樣調整金屬化過孔陣列頭端和多邊形頂點的位置，可以使得天線中的電磁波通過各個介質填充波導可以同相到達天線的口徑面，這樣天線的口徑效率和天線的增益就高；而且由於介質填充波導在天線口徑面上埠的波阻抗等於自由空間的波阻抗，即介質填充波導的埠寬度a都滿足條件a = A/(2VT^I)，也就是埠寬度a等於自由空間波長λ除於介質相對介電常數ε減I的平方根的兩倍，因此這樣天線口徑面的反射就小。有益效果本發明相位阻抗校準的封裝夾層天線的有益效果是，提高了天線口徑面上電磁波的相位一致性、同時又使得口徑面上天線電磁波的波阻抗等於自由空間的波阻抗，從而提高了三維封裝夾層天線的增益和減小了天線的回波損耗。


圖1為相位阻抗校準的封裝夾層天線的三維封裝整體結構示意圖。圖2為相位阻抗校準的封裝夾層天線正面結構示意圖。圖3為相位阻抗校準的封裝夾層天線反面結構示意圖。
圖中有微帶饋線1、基片集成波導喇叭天線2、內嵌金屬化過孔3、介質基板4、三維封裝5，天線輸入輸出埠 6、共面波導7、內部電路8、底面金屬平面9、頂面金屬平面10、金屬化過孔喇叭側壁11、天線的口徑面12、天線的窄截面波導13、天線的喇叭形波導14、天線的寬截面波導15、接地面16、金屬化過孔陣列17和介質填充波導18。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明所採用的實施方案是相位阻抗校準的封裝夾層天線由微帶饋線1、基片集成波導喇叭天線2和內嵌金屬化過孔3三部分組成，這三部分都集成在同一塊介質基板4上，該介質基板位於4三維多層封裝5的內層；微帶饋線I的一端接基片集成波導喇叭天線2，微帶饋線I另一端靠近封裝側面，是天線的輸入輸出埠 6，天線的輸入輸出埠 6通過微帶與共面波導90度過渡與封裝側面的共面波導7相連，共面波導7的另一端與封裝內部電路8相連；基片集成波導喇叭天線2由底面金屬平面9、頂面金屬平面10和金屬化過孔喇叭側壁11組成，底面金屬平面9和頂面金屬平面10分別位於介質基板4的兩面，金屬 化過孔側壁11連接底面金屬平面9和頂面金屬平面10 ;喇叭天線2的內部由窄截面波導13，喇叭形波導14和寬截面波導15三部分串接而成；喇叭天線2的一端接微帶饋線1，底面金屬平面9與微帶饋線I的接地面16連接，喇叭天線2的另一端是天線的口徑面12，在基片集成波導喇叭天線2中內嵌的金屬化過孔3連接底面金屬平面9和頂面金屬平面10，這些內嵌的金屬化過孔3構成多個金屬化過孔陣列17 ;金屬化過孔陣列17形狀都是一段頭端直線段接多邊形再接一段尾端直線段，金屬化過孔陣列17的頭端都朝著微帶饋線I的方向，金屬化過孔陣列17的尾端在喇叭天線2的口徑面12上；金屬化過孔陣列17在喇叭天線2中形成多個介質填充波導18 ;並且設定介質填充波導18在天線寬截面波導15的寬度使得這些介質填充波導18在天線口徑面12的波阻抗都等於自由空間的波阻抗。在介質填充波導18中，電磁波主模(TElO模)的傳播的相速和波阻抗都與介質填充波導的寬度有關，介質填充波導18的寬度越寬，主模的傳輸相速和波阻抗就越低；反之，介質填充波導18寬度越窄，主模的傳輸相速和波阻抗就越高。來自封裝內部電路8的電磁波信號經過三維封裝5側面的共面波導7進入天線輸入輸出埠 6，再通過微帶饋線I進入到基片集成波導喇叭天線2，傳播一段距離後，遇到金屬化過孔陣列17，電磁波就分成多路分別進入各個介質填充波導18中向著天線口徑面12的方向傳輸，調整金屬化過孔陣列17中多邊形頂點的位置、頭端的位置，可以保證通過介質填充波導18傳輸的電磁波同相地到達天線的口徑面12 ;這樣在天線的口徑面12各個介質填充波導寬度相等的埠，電磁波的相位和都一致，因而達到提高天線的口徑效率和增益的目的，而且由於介質填充波導18在天線口徑面上的各個埠的波阻抗都等於自由空間的波阻抗，即左邊介質填充波導19、中間介質填充波導20、右邊介質填充波導21的埠寬度a都滿足條件a = λ/(2、.Τ^Ι)，也就是埠寬度a等於自由空間波長λ除於介質相對介電常數ε減I的平方根的兩倍，因此天線口徑面的反射就小。在工藝上，相位阻抗校準的封裝夾層天線既可以採用三維樹脂封裝工藝，也可以採用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝實現。其中金屬化過孔3和金屬化過孔側壁11可以是空心金屬通孔也可以是實心金屬孔，也可以是連續的金屬化壁，金屬通孔的形狀可以是圓形，也可以是方形或者其他形狀的。在結構上，由於要滿足波阻抗相等條件，介質填充波導18在天線口徑面的埠寬度是一定的，因而天線口徑面12的寬度就不能任意設定，因為要保持介質填充波導18在天線口徑面上埠的波阻抗等於自由空間的波阻抗，介質基板4的介電常數一定，則介質填充波導18的埠寬度也一定，因此如果天線口徑面12處的介質填充波導18數量增加一倍，天線的口徑面12寬度也要增加一倍。由于越靠近天線的金屬化過孔側壁11，電磁波到達天線口徑面12的路程越遠，因此相對於離金屬化過孔側壁11較遠的介質填充波導，離金屬化過孔側壁11較近的介質填充波導的寬度相對較窄以得到較高的電磁波傳輸相速。天線金屬化過孔陣列17中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，這些多邊形的一條邊或者多條邊的形狀可以是直線、弧線或其它曲線；金屬化過孔陣列17中的頭端 直線段和尾端直線段的形狀可以是直線、折線、指數線或者其它曲線。根據以上所述，便可實現本發明。
權利要求
1.一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於該天線包括設置在介質基板(4)上的微帶饋線(I )、基片集成波導喇叭天線(2 )和內嵌金屬化過孔(3 )，介質基板(4 )在三維封裝(5)的內層；所述微帶饋線(I)通過共面波導(7)與三維封裝(5)的內部電路(8)相連；基片集成波導喇叭天線(2)由位於介質基板(4) 一面的底面金屬平面(9)、位於介質基板(4)另一面的頂面金屬平面(10)和穿過介質基板(4)連接底面金屬平面(9)頂面金屬平面(10)的金屬化過孔喇叭側壁(11)組成；基片集成波導喇叭天線(2)中內嵌的金屬化過孔(3)連接底面金屬平面(9)和頂面金屬平面(10)，並構成多個金屬化過孔陣列(17);金屬化過孔陣列(17)在喇叭天線(2)中形成多個介質填充波導(18)，介質填充波導(18)在天線口徑面(12)上埠的波阻抗等於自由空間波阻抗。
2.根據權利要求1所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的微帶饋線(I)的一端與喇叭天線(2)相連，微帶饋線(I)的另一端靠近封裝側面，是天線的輸入輸出埠(6);微帶饋線(I)通過天線輸入輸出埠(6)與封裝側面的共面波導(7)的一端相連，共面波導(7)的另一端與封裝內部電路(8)相連。
3.根據權利要求1所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的基片集成波導喇叭天線(2)由窄截面波導(13)、喇叭形波導(14)和寬截面波導(15)串接構成；窄截面波導(13)的一端是微帶饋線(I )，窄截面波導(13)的另一端與喇叭形波導(14)相連，喇叭形波導(14)的一端與窄截面波導(13)相連，喇叭形波導(14)的另一端與寬截面波導(15)相連，寬截面波導(15)的另一端是天線口徑面(12)。
4.根據權利要求1所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的金屬化過孔陣列(17)形狀都是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，金屬化過孔陣列(17)的頭端都朝著微帶饋線(I)方向，金屬化過孔陣列(17)的尾端在天線口徑面(12)上。
5.根據權利要求4所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的金屬化過孔陣列(17)中的頭端直線段或者尾端直線段的形狀可以是直線、折線或者其它曲線，其長度可以是零或者是有限長度。
6.根據權利要求4所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的金屬化過孔陣列(17)中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，多邊形的一條邊或者多條邊的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
7.根據權利要求1所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的介質填充波導(18)的寬度均要保證其主模可以在介質填充波導(18)中傳輸而不被截止。
8.根據權利要求1所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於所述的介質填充波導(18)的一端均朝著微帶饋線(I)方向，其另一端均在天線口徑面(12)上，並且介質填充波導(18 )在天線口徑面(12 )上埠的寬度都一樣。
9.根據權利要求6所述的一種相位阻抗校準的封裝夾層天線，其特徵在於選擇金屬化過孔陣列(17)中頭端直線段或多邊形在左邊介質填充波導(18)中的位置，使得通過介質填充波導(18)傳輸的多路電磁波同相到達天線的口徑面(12)上。
全文摘要
相位阻抗校準的封裝夾層天線涉及一種喇叭天線。該天線包括集成在一塊介質基板(4)上的微帶饋線(1)、喇叭天線(2)和金屬化過孔(3)，介質基板(4)在三維封裝(5)的內層，微帶饋線(1)一端通過封裝側面的共面波導(7)與內部電路(8)相連，喇叭天線(2)由底面金屬平面(9)、頂面金屬平面(10)和金屬化過孔側壁(11)組成，由金屬化過孔(3)構成的多個金屬化過孔陣列(17)在喇叭天線(2)中形成多個介質填充波導(18)，電磁波通過介質填充波導(18)同相到達天線口徑面(12)，且介質填充波導(18)在天線口徑面(12)埠的波阻抗等於自由空間波阻抗。該天線可以提高天線增益和減少天線回波損耗。
文檔編號H01Q13/02GK103022668SQ20121056298
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者殷曉星, 趙嘉寧, 趙洪新 申請人:東南大學