專利名稱：相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其是一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線。
背景技術(shù)：
采用疊層三維多芯片(3D-MCM)技術(shù)，可以把一個(gè)射頻系統(tǒng)集成在一個(gè)三維疊層封裝內(nèi)，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(shí)會(huì)需要把天線集成在封裝中間的一個(gè)夾層以滿足系統(tǒng)的需要。如果在封裝內(nèi)部夾層中集成喇叭天線就可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。近年來(lái)，基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的基片集成波導(dǎo)喇叭天線具有尺寸小、重量輕、易于平面集成的特點(diǎn)，但傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的增益相對(duì)比較低，其原因在于由于喇叭口不斷的張開，導(dǎo)致電磁波傳播到喇叭口徑面時(shí)出現(xiàn)相位不同步，口徑電場(chǎng)強(qiáng)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于自由空間的波阻抗，在介質(zhì)與空氣分界面上會(huì)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，也不能改善口徑面上電磁場(chǎng)幅度分布的均勻性，而且這些相位校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)增加了天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸，不適合集成到封裝內(nèi)部夾層。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，該天線內(nèi)部嵌有金屬化過(guò)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(zhì)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(shù)方案本發(fā)明的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板上的微帶饋線、基片集成波導(dǎo)喇叭天線和內(nèi)嵌金屬化過(guò)孔，介質(zhì)基板在三維封裝的內(nèi)層；所述微帶饋線通過(guò)共面波導(dǎo)與三維封裝的內(nèi)部電路相連；基片集成波導(dǎo)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(guò)介質(zhì)基板連接底面金屬平面頂面金屬平面的金屬化過(guò)孔喇叭側(cè)壁組成；基片集成波導(dǎo)喇叭天線中內(nèi)嵌的金屬化過(guò)孔連接底面金屬平面和頂面金屬平面，并構(gòu)成多個(gè)金屬化過(guò)孔陣列；金屬化過(guò)孔陣列在喇叭天線中形成多個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)，介質(zhì)填充波導(dǎo)在天線口徑面上端口的波阻抗等于自由空間波阻抗。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(cè)面，是天線的輸入輸出端口 ；微帶饋線通過(guò)天線輸入輸出端口與封裝側(cè)面的共面波導(dǎo)的一端相連，共面波導(dǎo)的另一端與封裝內(nèi)部電路相連。所述的基片集成波導(dǎo)喇叭天線由窄截面波導(dǎo)、喇叭形波導(dǎo)和寬截面波導(dǎo)串接構(gòu)成；窄截面波導(dǎo)的一端是微帶饋線，窄截面波導(dǎo)的另一端與喇叭形波導(dǎo)相連，喇叭形波導(dǎo)的一端與窄截面波導(dǎo)相連，喇叭形波導(dǎo)的另一端與寬截面波導(dǎo)相連，寬截面波導(dǎo)的另一端是天線口徑面。所述的金屬化過(guò)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(gòu)成，金屬化過(guò)孔陣列的頭端都朝著微帶饋線方向，金屬化過(guò)孔陣列的尾端在天線口徑面上。所述的金屬化過(guò)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(zhǎng)度可以是零或者是有限長(zhǎng)度。所述的金屬化過(guò)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(zhì)填充波導(dǎo)的寬度均要保證其主模可以在介質(zhì)填充波導(dǎo)中傳輸而不被截止。 所述的介質(zhì)填充波導(dǎo)的一端均朝著微帶饋線方向，其另一端均在天線口徑面上，并且介質(zhì)填充波導(dǎo)在天線口徑面上端口的寬度都一樣。選擇金屬化過(guò)孔陣列中頭端直線段或多邊形在左邊介質(zhì)填充波導(dǎo)中的位置，使得通過(guò)介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸?shù)亩嗦冯姶挪ㄍ嗟竭_(dá)天線的口徑面上。金屬化過(guò)孔喇叭側(cè)壁中，相鄰的兩個(gè)金屬化過(guò)孔的間距要小于或等于工作波長(zhǎng)的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過(guò)孔喇叭側(cè)壁能夠等效為電壁；相鄰的兩個(gè)金屬化過(guò)孔的間距要等于或者小于工作波長(zhǎng)的十分之一，使得構(gòu)成的中間金屬化過(guò)孔陣列、左邊金屬化過(guò)孔陣列和右邊金屬化過(guò)孔陣列可以等效為電壁。在介質(zhì)填充波導(dǎo)中，電磁波主模(TE10模)的傳播相速和波阻抗都與介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度有關(guān)，介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度越寬，主模的傳播相速和波阻抗就越低；反之，介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度越窄，主模的傳播相速和波阻抗就越高。來(lái)自封裝內(nèi)部電路的電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)三維封裝側(cè)面的共面波導(dǎo)進(jìn)入天線輸入輸出端口，再通過(guò)微帶饋線進(jìn)入到基片集成波導(dǎo)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(guò)孔陣列，就分成多路分別進(jìn)入各個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸，再經(jīng)過(guò)這些介質(zhì)填充波導(dǎo)到達(dá)天線的口徑面。調(diào)整金屬化過(guò)孔陣列頭端離微帶饋線的距離，可以改變介質(zhì)填充波導(dǎo)的長(zhǎng)度；調(diào)整金屬化過(guò)孔陣列中多邊形頂點(diǎn)的位置可以改變由該金屬化過(guò)孔陣列隔開的相鄰兩個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)南鄬?duì)相速；這樣調(diào)整金屬化過(guò)孔陣列頭端和多邊形頂點(diǎn)的位置，可以使得天線中的電磁波通過(guò)各個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)可以同相到達(dá)天線的口徑面，這樣天線的口徑效率和天線的增益就高；而且由于介質(zhì)填充波導(dǎo)在天線口徑面上端口的波阻抗等于自由空間的波阻抗，即介質(zhì)填充波導(dǎo)的端口寬度a都滿足條件a = A/(2VT^I)，也就是端口寬度a等于自由空間波長(zhǎng)λ除于介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)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(fā)明相位阻抗校準(zhǔn)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(shí)又使得口徑面上天線電磁波的波阻抗等于自由空間的波阻抗，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(zhǔn)的封裝夾層天線的三維封裝整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線反面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中有微帶饋線1、基片集成波導(dǎo)喇叭天線2、內(nèi)嵌金屬化過(guò)孔3、介質(zhì)基板4、三維封裝5，天線輸入輸出端口 6、共面波導(dǎo)7、內(nèi)部電路8、底面金屬平面9、頂面金屬平面10、金屬化過(guò)孔喇叭側(cè)壁11、天線的口徑面12、天線的窄截面波導(dǎo)13、天線的喇叭形波導(dǎo)14、天線的寬截面波導(dǎo)15、接地面16、金屬化過(guò)孔陣列17和介質(zhì)填充波導(dǎo)18。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明所采用的實(shí)施方案是相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線由微帶饋線1、基片集成波導(dǎo)喇叭天線2和內(nèi)嵌金屬化過(guò)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，該介質(zhì)基板位于4三維多層封裝5的內(nèi)層；微帶饋線I的一端接基片集成波導(dǎo)喇叭天線2，微帶饋線I另一端靠近封裝側(cè)面，是天線的輸入輸出端口 6，天線的輸入輸出端口 6通過(guò)微帶與共面波導(dǎo)90度過(guò)渡與封裝側(cè)面的共面波導(dǎo)7相連，共面波導(dǎo)7的另一端與封裝內(nèi)部電路8相連；基片集成波導(dǎo)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(guò)孔喇叭側(cè)壁11組成，底面金屬平面9和頂面金屬平面10分別位于介質(zhì)基板4的兩面，金屬 化過(guò)孔側(cè)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(nèi)部由窄截面波導(dǎo)13，喇叭形波導(dǎo)14和寬截面波導(dǎo)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(dǎo)喇叭天線2中內(nèi)嵌的金屬化過(guò)孔3連接底面金屬平面9和頂面金屬平面10，這些內(nèi)嵌的金屬化過(guò)孔3構(gòu)成多個(gè)金屬化過(guò)孔陣列17 ;金屬化過(guò)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(guò)孔陣列17的頭端都朝著微帶饋線I的方向，金屬化過(guò)孔陣列17的尾端在喇叭天線2的口徑面12上；金屬化過(guò)孔陣列17在喇叭天線2中形成多個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)18 ;并且設(shè)定介質(zhì)填充波導(dǎo)18在天線寬截面波導(dǎo)15的寬度使得這些介質(zhì)填充波導(dǎo)18在天線口徑面12的波阻抗都等于自由空間的波阻抗。在介質(zhì)填充波導(dǎo)18中，電磁波主模(TElO模)的傳播的相速和波阻抗都與介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度有關(guān)，介質(zhì)填充波導(dǎo)18的寬度越寬，主模的傳輸相速和波阻抗就越低；反之，介質(zhì)填充波導(dǎo)18寬度越窄，主模的傳輸相速和波阻抗就越高。來(lái)自封裝內(nèi)部電路8的電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)三維封裝5側(cè)面的共面波導(dǎo)7進(jìn)入天線輸入輸出端口 6，再通過(guò)微帶饋線I進(jìn)入到基片集成波導(dǎo)喇叭天線2，傳播一段距離后，遇到金屬化過(guò)孔陣列17，電磁波就分成多路分別進(jìn)入各個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)18中向著天線口徑面12的方向傳輸，調(diào)整金屬化過(guò)孔陣列17中多邊形頂點(diǎn)的位置、頭端的位置，可以保證通過(guò)介質(zhì)填充波導(dǎo)18傳輸?shù)碾姶挪ㄍ嗟氐竭_(dá)天線的口徑面12 ;這樣在天線的口徑面12各個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)寬度相等的端口，電磁波的相位和都一致，因而達(dá)到提高天線的口徑效率和增益的目的，而且由于介質(zhì)填充波導(dǎo)18在天線口徑面上的各個(gè)端口的波阻抗都等于自由空間的波阻抗，即左邊介質(zhì)填充波導(dǎo)19、中間介質(zhì)填充波導(dǎo)20、右邊介質(zhì)填充波導(dǎo)21的端口寬度a都滿足條件a = λ/(2、.Τ^Ι)，也就是端口寬度a等于自由空間波長(zhǎng)λ除于介質(zhì)相對(duì)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。在工藝上，相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層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(shí)現(xiàn)。其中金屬化過(guò)孔3和金屬化過(guò)孔側(cè)壁11可以是空心金屬通孔也可以是實(shí)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(jié)構(gòu)上，由于要滿足波阻抗相等條件，介質(zhì)填充波導(dǎo)18在天線口徑面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(shè)定，因?yàn)橐３纸橘|(zhì)填充波導(dǎo)18在天線口徑面上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(dǎo)18的端口寬度也一定，因此如果天線口徑面12處的介質(zhì)填充波導(dǎo)18數(shù)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(guò)孔側(cè)壁11，電磁波到達(dá)天線口徑面12的路程越遠(yuǎn)，因此相對(duì)于離金屬化過(guò)孔側(cè)壁11較遠(yuǎn)的介質(zhì)填充波導(dǎo)，離金屬化過(guò)孔側(cè)壁11較近的介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度相對(duì)較窄以得到較高的電磁波傳輸相速。天線金屬化過(guò)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(guò)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(shù)線或者其它曲線。根據(jù)以上所述，便可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于該天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板(4)上的微帶饋線(I )、基片集成波導(dǎo)喇叭天線(2 )和內(nèi)嵌金屬化過(guò)孔(3 )，介質(zhì)基板(4 )在三維封裝(5)的內(nèi)層；所述微帶饋線(I)通過(guò)共面波導(dǎo)(7)與三維封裝(5)的內(nèi)部電路(8)相連；基片集成波導(dǎo)喇叭天線(2)由位于介質(zhì)基板(4) 一面的底面金屬平面(9)、位于介質(zhì)基板(4)另一面的頂面金屬平面(10)和穿過(guò)介質(zhì)基板(4)連接底面金屬平面(9)頂面金屬平面(10)的金屬化過(guò)孔喇叭側(cè)壁(11)組成；基片集成波導(dǎo)喇叭天線(2)中內(nèi)嵌的金屬化過(guò)孔(3)連接底面金屬平面(9)和頂面金屬平面(10)，并構(gòu)成多個(gè)金屬化過(guò)孔陣列(17);金屬化過(guò)孔陣列(17)在喇叭天線(2)中形成多個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)，介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)在天線口徑面(12)上端口的波阻抗等于自由空間波阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的微帶饋線(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(cè)面，是天線的輸入輸出端口(6);微帶饋線(I)通過(guò)天線輸入輸出端口(6)與封裝側(cè)面的共面波導(dǎo)(7)的一端相連，共面波導(dǎo)(7)的另一端與封裝內(nèi)部電路(8)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的基片集成波導(dǎo)喇叭天線(2)由窄截面波導(dǎo)(13)、喇叭形波導(dǎo)(14)和寬截面波導(dǎo)(15)串接構(gòu)成；窄截面波導(dǎo)(13)的一端是微帶饋線(I )，窄截面波導(dǎo)(13)的另一端與喇叭形波導(dǎo)(14)相連，喇叭形波導(dǎo)(14)的一端與窄截面波導(dǎo)(13)相連，喇叭形波導(dǎo)(14)的另一端與寬截面波導(dǎo)(15)相連，寬截面波導(dǎo)(15)的另一端是天線口徑面(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的金屬化過(guò)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(gòu)成，金屬化過(guò)孔陣列(17)的頭端都朝著微帶饋線(I)方向，金屬化過(guò)孔陣列(17)的尾端在天線口徑面(12)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的金屬化過(guò)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(zhǎng)度可以是零或者是有限長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的金屬化過(guò)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)的寬度均要保證其主?？梢栽诮橘|(zhì)填充波導(dǎo)(18)中傳輸而不被截止。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于所述的介質(zhì)填充波導(dǎo)(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，并且介質(zhì)填充波導(dǎo)(18 )在天線口徑面(12 )上端口的寬度都一樣。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種相位阻抗校準(zhǔn)的封裝夾層天線，其特征在于選擇金屬化過(guò)孔陣列(17)中頭端直線段或多邊形在左邊介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)中的位置，使得通過(guò)介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)傳輸?shù)亩嗦冯姶挪ㄍ嗟竭_(dá)天線的口徑面(12)上。
全文摘要
相位阻抗校準(zhǔn)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(zhì)基板(4)上的微帶饋線(1)、喇叭天線(2)和金屬化過(guò)孔(3)，介質(zhì)基板(4)在三維封裝(5)的內(nèi)層，微帶饋線(1)一端通過(guò)封裝側(cè)面的共面波導(dǎo)(7)與內(nèi)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(guò)孔側(cè)壁(11)組成，由金屬化過(guò)孔(3)構(gòu)成的多個(gè)金屬化過(guò)孔陣列(17)在喇叭天線(2)中形成多個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)，電磁波通過(guò)介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)同相到達(dá)天線口徑面(12)，且介質(zhì)填充波導(dǎo)(18)在天線口徑面(12)端口的波阻抗等于自由空間波阻抗。該天線可以提高天線增益和減少天線回波損耗。
文檔編號(hào)H01Q13/02GK103022668SQ20121056298
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者殷曉星, 趙嘉寧, 趙洪新 申請(qǐng)人:東南大學(xué)