專利名稱：阻抗校準的三維封裝表面天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其是一種阻抗校準的三維封裝表面天線。
背景技術：
采用微組裝技術，可以把一個射頻系統(tǒng)集成到一個封裝內(nèi)，為此也需要把天線集成在封裝的表面。在封裝表面集成貼片天線是一種很自然的方式，但貼片天線的輻射主向是表面的法向，而我們有時需要的輻射主向是沿著表面方向。如果在封裝表面集成喇叭天線就可以實現(xiàn)沿表面方向的輻射。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，基于基片集成波導技術發(fā)展的基片集成波導喇叭天線具有尺寸小、重量輕、易于平面集成的特點，但傳統(tǒng)的基片集成波導喇叭天線的增益相對比較低，其原因在于由于喇叭口不斷的張開，口徑面上 電磁波的波阻抗不同于自由空間的波阻抗，在介質(zhì)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。目前已有采用介質(zhì)加載、介質(zhì)棱鏡等方法，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，而且這些相位校準結構增加了天線的整體結構尺寸，不適合集成到封裝表面。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的是提出一種阻抗校準的三維封裝表面天線，該喇叭天線內(nèi)部嵌有金屬化過孔陣列用以矯正天線與自由空間波阻抗的不一致，減少三維封裝表面天線的反射，提高天線的增益。技術方案本發(fā)明的阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于該天線包括設置在介質(zhì)基板上的金屬化垂直過孔饋線、基片集成波導喇叭天線和內(nèi)嵌金屬化過孔，介質(zhì)基板在三維封裝的最上面；所述金屬化垂直過孔饋線與三維封裝的內(nèi)部電路相連；基片集成波導喇叭天線由位于介質(zhì)基板一面的底面金屬平面、位于介質(zhì)基板另一面的頂面金屬平面和穿過介質(zhì)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(cè)壁組成；基片集成波導喇叭天線中內(nèi)嵌的金屬化過孔連接底面金屬平面和頂面金屬平面，并構成多個金屬化過孔陣列；金屬化過孔陣列在喇叭天線形成多個介質(zhì)填充波導，介質(zhì)填充波導在天線口徑面上端口的波阻抗與自由空間的波阻抗一樣。金屬化垂直過孔饋線的一端穿過介質(zhì)基板底面金屬平面上的圓孔與三維封裝的內(nèi)部電路相連，其另一端頂端有個圓形焊盤，金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤10在介質(zhì)基板的頂面金屬平面的圓孔中心，因此金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤與介質(zhì)基板的頂面金屬平面沒有直接的電接觸?；刹▽Ю忍炀€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短路面，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。
金屬化過孔陣列的形狀可以是一段直線，也可以是直線、折線或指數(shù)線或者其它曲線及其組合。金屬化過孔陣列都是頭端都朝著喇叭天線窄截面波導的短路面方向，尾端在天線口徑面上。介質(zhì)填充波導的寬度均要保證其主?？梢栽诮橘|(zhì)填充波導中傳輸而不被截止。介質(zhì)填充波導的一個端口均朝著喇叭天線窄截面波導的短路面方向，其另一個端口均在天線口徑面上，并且介質(zhì)填充波導在天線口徑面上端口的寬度都一樣。金屬化過孔喇叭側(cè)壁中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(11)能夠等效為電壁。金屬化過孔中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要等于或者小于工作波長的十分之 一，使得構成的金屬化過孔陣列可以等效為電壁。在介質(zhì)填充波導中，電磁波主模(TE10模)的傳播波阻抗都與介質(zhì)填充波導的寬度有關，介質(zhì)填充波導的寬度越寬，主模的傳播波阻抗就越低；反之，介質(zhì)填充波導的寬度越窄，主模的傳播波阻抗就越高。來自封裝內(nèi)部電路的電磁波信號從金屬化垂直過孔饋線的一端通過天線的輸入輸出端口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后，遇到金屬化過孔陣列，就分成分成多路分別進入多個介質(zhì)填充波導傳輸，再通過這些介質(zhì)填充波導傳輸?shù)教炀€的口徑面上輻射。這樣在天線的口徑面上介質(zhì)填充波導的端口寬度相等，由于在天線的口徑面上電磁波在介質(zhì)填充波導中的波阻抗等于自由空間的波阻抗，即介質(zhì)填充波導的端口寬度a都滿足條件a =也就是端口寬度a等于自由空間波長λ除于介質(zhì)相對介電常數(shù)ε減I的平方根的兩倍，因此天線口徑面的反射就小。有益效果本發(fā)明阻抗校準的三維封裝表面天線的有益效果是，使得天線口徑面上電磁波的波阻抗等于自由空間的波阻抗，從而減小了三維封裝表面天線的回波損耗和提高了天線的增益。


圖1為阻抗校準的三維封裝表面天線的三維封裝整體結構示意圖。圖2為阻抗校準的三維封裝表面天線正面結構示意圖。圖3為阻抗校準的三維封裝表面天線反面結構示意圖。圖中有金屬化垂直過孔饋線1、基片集成波導喇叭天線2、內(nèi)嵌金屬化過孔3、介質(zhì)基板4、三維封裝5,底面金屬平面6、底面金屬平面圓孔7、內(nèi)部電路8、頂面金屬平面9、金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤10、金屬化過孔喇叭側(cè)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、窄截面波導的短路面16、金屬化過孔陣列17和介質(zhì)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(fā)明作進一步說明。本發(fā)明所采用的實施方案是阻抗校準的三維封裝表面天線由金屬化垂直過孔饋線1、基片集成波導喇叭天線2和內(nèi)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(zhì)基板4上，介質(zhì)基板4在三維封裝5的最上面；金屬化垂直過孔饋線I垂直貫通介質(zhì)基板4，金屬化垂直過孔饋線I的一端穿過介質(zhì)基板4底面金屬平面6上的圓孔7與三維封裝5的內(nèi)部電路8相連，是天線的輸入輸出端口，金屬化垂直過孔饋線I的另一端的頂端有個圓形焊盤10，圓形焊盤10在介質(zhì)基板4的頂面金屬平面9的圓孔中心，因此金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤10與介質(zhì)基板的頂面金屬平面9沒有直接的電接觸；基片集成波導喇叭天線2由底面金屬平面7、頂面金屬平面9和金屬化過孔喇叭側(cè)壁11組成,底面金屬平面7和頂面金屬平面9分別位于介質(zhì)基板4的兩面，金屬化過孔側(cè)壁11連接底面金屬平面7和頂面金屬平面9 ;喇叭天線2從天線的輸入輸出端口到天線的口徑面12分為窄截面波導13，喇叭形波導14和寬截面波導15三部分；窄截面波導13的一端被金屬化過孔側(cè)壁11短路構成窄截面波導的短路面16，另一端與喇叭形波導14相接，金屬化垂直過孔饋線I在窄截面波導13寬邊的中心線上；在基片集成波導喇叭天線2中內(nèi)嵌的金屬化過孔3連接底面金屬平面7和頂面金屬平面9，這些內(nèi)嵌的金屬化過孔3構成金屬化過孔陣列17 ;金屬化過孔陣列17的形狀直線或者折線，金屬化過孔陣列17的頭端都朝著喇叭天線2的窄截面波導的短路面16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在天線2中形成多個介質(zhì)填充波導18，并且設定介質(zhì)填充波導18的寬度使得這些介質(zhì)填充波導在天線口徑面12上的波阻抗都等于自由空間的波阻抗。在介質(zhì)填充波導中，電磁波主模(TE10模)的傳播的波阻抗與介質(zhì)填充波導的寬度有關，介質(zhì)填充波導的寬度越寬，主模的波阻抗就越低；反之，介質(zhì)填充波導寬度越窄，主模的波阻抗就越高。來自內(nèi)部電路8的電磁波信號從金屬化垂直過孔饋線I的一端通過天線的輸入輸出端口進入到基片集成波導喇叭天線2，傳播一段距離后，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(zhì)填充波導18中向天線口徑面12的方向傳輸；由于電磁波在每個介質(zhì)填充波導18在天線口徑面上端口的波阻抗都等于自由空間的波阻抗，即介質(zhì)填充波導18的端口寬度a都滿足條件a = λ/(2ν'^Ι),也就是端口寬度a等于自由空間波長λ除于介質(zhì)相對介電常數(shù)ε減I的平方根的兩倍，因此天線口徑面的反射就小，因而達到提高天線的口徑效率和增益的目的，。在工藝上，阻抗校準的三維封裝表面天線既可以采用三維樹脂封裝工藝，也可以采用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝實現(xiàn)。其中金屬化過孔3和金屬化過孔側(cè)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(xù)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，由于要滿足波阻抗相等條件，介質(zhì)填充波導18的端口寬度是一定的，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(zhì)填充波導18在端口的波阻抗等于自由空間的波阻抗，介質(zhì)基板4的介電常數(shù)一定，則介質(zhì)填充波導18的端口寬度也一定，因此天線口徑面12處的介質(zhì)填充波導數(shù)量增加一倍，天線的口徑面12寬度也要增加一倍。依據(jù)同樣的思路，可以增加金屬化過孔陣列數(shù)量，并使得通過這些介質(zhì)填充波導在天線口徑面12上端口波阻抗都等于自由空間的波阻抗，這樣天線的反射小，但天線口徑面12的寬度也要相應增加。由于越靠近天線的金屬化過孔側(cè)壁11，電磁波到達天線口徑面12的路程越遠，因此相對于離金屬化過孔側(cè)壁11較遠的介質(zhì)填充波導，離金屬化過孔側(cè)壁11較近的介質(zhì)填充波導的寬度相對較窄以得到較高的電磁波傳輸相速。金屬化過孔陣列17的形狀可以是直線、折線、指數(shù)線、多邊形或者其它曲線。
根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明 。
權利要求
1.一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于該天線包括設置在介質(zhì)基板(4)上的金屬化垂直過孔饋線(I)、基片集成波導喇叭天線(2)和內(nèi)嵌金屬化過孔(3)，介質(zhì)基板 ⑷在三維封裝(5)的最上面；所述金屬化垂直過孔饋線⑴與三維封裝(5)的內(nèi)部電路 (8)相連；基片集成波導喇叭天線(2)由位于介質(zhì)基板(4) 一面的底面金屬平面(6)、位于介質(zhì)基板(4)另一面的頂面金屬平面(9)和穿過介質(zhì)基板(4)連接底面金屬平面(6)頂面金屬平面(9)的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(11)組成；基片集成波導喇叭天線(2)中內(nèi)嵌的金屬化過孔⑶連接底面金屬平面(6)和頂面金屬平面(9)，并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)形成多個介質(zhì)填充波導(18)，介質(zhì)填充波導(18)在天線口徑面(12)上端口的波阻抗與自由空間的波阻抗一樣。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的金屬化垂直過孔饋線(I)的一端穿過介質(zhì)基板(4)底面金屬平面(6)上的圓孔(7)與三維封裝(5)的內(nèi)部電路(8)相連，其另一端頂端有個圓形焊盤(10)，金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤10在介質(zhì)基板(4)的頂面金屬平面(9)的圓孔中心，因此金屬化垂直過孔饋線頂端圓形焊盤(10)與介質(zhì)基板⑷的頂面金屬平面(9)沒有直接的電接觸。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的基片集成波導喇叭天線⑵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)的一端是短路面(16)，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(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的金屬化過孔陣列(17)的形狀可以是一段直線，也可以是直線、折線或指數(shù)線或者其它曲線及其組合。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的金屬化過孔陣列(17)都是頭端都朝著喇叭天線窄截面波導的短路面(16)方向，尾端在天線口徑面(12)上。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的介質(zhì)填充波導(18)的寬度均要保證其主模可以在介質(zhì)填充波導(18)中傳輸而不被截止。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的介質(zhì)填充波導(18)的一個端口均朝著喇叭天線窄截面波導的短路面(16)方向，其另一個端口均在天線口徑面(12)上，并且介質(zhì)填充波導(18)在天線口徑面(12)上端口的寬度都一樣。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(11)中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(11)能夠等效為電壁。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種阻抗校準的三維封裝表面天線，其特征在于所述的金屬化過孔(3)中，相鄰的兩個金屬化過孔(3)的間距要等于或者小于工作波長的十分之一，使得構成的金屬化過孔陣列(17)可以等效為電壁。
全文摘要
阻抗校準的三維封裝表面天線涉及一種喇叭天線。該天線包括集成在一塊介質(zhì)基板(4)上的金屬化垂直過孔饋線(1)、喇叭天線(2)和金屬化過孔(3)，介質(zhì)基板(4)在三維封裝(5)的最上面，金屬化垂直過孔饋線(1)一端與內(nèi)部電路(8)相連，喇叭天線(2)由底面金屬平面(6)、頂面金屬平面(9)和金屬化過孔側(cè)壁(11)組成，由金屬化過孔(3)構成的過孔陣列(17)在喇叭天線(2)中形成多個介質(zhì)填充波導(18)，且這些介質(zhì)填充波導在天線口徑面(12)上的波阻抗等于自由空間波阻抗。該天線可以天線減少天線的回波損耗和提高增益。
文檔編號H01Q1/38GK103022665SQ20121056229
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2012年12月21日
發(fā)明者殷曉星, 趙洪新, 王磊 申請人:東南大學