一种毫米波天线、天线阵列、天线模组及电子设备的制作方法

1.本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种毫米波天线、天线阵列、天线模组及电子设备。


背景技术：

2.随着第五代通信技术的演进，通讯设备要朝着低时延、高可靠性和大带宽的方向发展。毫米波由于其波长短、带宽宽的原因能够更容易满足这些需求，因此逐渐被推上了第五代通信技术的舞台。要让毫米波通信技术发挥出更明显的优势，需要毫米波天线满足带宽宽、高端口隔离、高增益和低交叉极化等要求。
3.目前，为提升毫米波天线的性能，通常采用差分馈电的方式提高天线的极化端口间的隔离、交叉极化比和增益等指标。由于差分馈电网络设计复杂，通常需要设计成双极化、阵列的形式，且需要通过馈线和射频芯片相连。这就需要设计层数较多的pcb板以满足布线要求，势必增加毫米波天线的加工成本。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种毫米波天线、天线阵列、天线模组及电子设备，以解决现有毫米波天线设计层数较多、成本较高的问题。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.本发明的一种毫米波天线，从上到下依次包括第一辐射贴片、第一介质基板、第二介质基板、地板、第三介质基板和第一差分馈电网络；还包括第二差分馈电网络和若干过孔；
7.所述第一辐射贴片位于所述第一介质基板的上表面；
8.所述地板位于所述第二介质基板的下表面或所述第三介质基板的上表面；
9.所述第一差分馈电网络和所述第二差分馈电网络分别设于所述第三介质基板的下表面；所述第一差分馈电网络和所述第二差分馈电网络位于同一层，为共面波导并用于形成天线的正交辐射；
10.若干所述过孔贯穿所述地板、第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，且所述过孔的两端分别电连接第一辐射贴片与对应所述第一差分馈电网络和所述第二差分馈电网络。
11.本发明的毫米波天线，所述第一差分馈电网络和所述第二差分馈电网络均为带地的共面波导传输线。
12.本发明的毫米波天线，所述第一差分馈电网络包括第一馈电输入传输线和第一馈电输出传输线；所述第一馈电输入传输线直接和第一馈电输出传输线电连接，且所述第一馈电输出传输线传输相位为180度。
13.本发明的毫米波天线，所述第二差分馈电网络包括第二馈电输入传输线、第二馈电输出传输线和第三馈电输出传输线；所述第二馈电输入传输线通过t型结分别与第二馈
电输出传输线、第三馈电输出传输线电连接，且所述第二馈电输出传输线和第三馈电输出传输线传输相位差为180度。
14.本发明的毫米波天线，所述第二差分馈电网络还包括阻抗匹配线；所述阻抗匹配线电连接于所述第二馈电输入传输线与所述t型结之间。
15.本发明的毫米波天线，还包括若干屏蔽孔，若干所述屏蔽孔分别设于所述第一差分馈电网络和所述第二差分馈电网络的周侧，用于抑制带地的共面波导传输线周围高次模的产生。
16.本发明的毫米波天线，所述第一辐射贴片的形状为圆形或多边形或圆形与多边型的组合结构。
17.本发明的毫米波天线，还包括第二辐射贴片；所述第二辐射贴片设于所述第一辐射贴片的上层；且所述第二辐射贴片在所述地板上的投影与所述第一辐射贴片在所述地板上的投影部分重叠。
18.本发明的毫米波天线，所述第二辐射贴片的形状为圆形或多边形或圆形和多边形的组合结构。
19.本发明的毫米波天线，还包括第四介质基板和第五介质基板；所述第五介质基板设于所述第一辐射贴片与所述第四介质基板之间，所述第二辐射贴片设于所述第四介质基板的上表面。
20.本发明的一种阵列天线，包括上述任意一项所述的毫米波天线，还包括若干第一串联功分器和第二串联功分器；
21.所述第一串联功分器分别与多个所述第一差分馈电网络电连接，用于实现多个所述第一差分馈电网络的并联；
22.所述第二串联功分器分别与多个所述第二差分馈电网络电连接，用于实现多个所述第二差分馈电网络的并联。
23.本发明的阵列天线，所述第一串联功分器与所述第一差分馈电网络位于同一层。
24.本发明的阵列天线，所述第二串联功分器与所述第二差分馈电网络位于同一层。
25.本发明的一种天线模组，包括上述任意一项所述的阵列天线。
26.本发明的天线模组，还包括电源数据连接器、第一射频芯片、第二射频芯片、第一射频连接线和第二射频连接线；
27.所述电源数据连接器与所述第一射频芯片和所述第二射频芯片的部分端口电连接，用于实现所述第一射频芯片和所述第二射频芯片的供电和控制；
28.多个所述第一射频芯片的射频输出端分别与多个所述第一射频连接线电连接，多个所述第一射频连接线分别与多个所述第一串联功分器电连接；
29.多个所述第二射频芯片的射频输出端分别与多个所述第二射频连接线电连接，多个所述第二射频连接线分别与多个所述第二串联功分器电连接；
30.所述第一射频芯片和所述第二射频芯片表贴于所述第三介质基板的下表面，且位于所述第一串联功分器和所述第二串联功分器以外的区域。
31.本发明的天线模组，所述第一射频芯片和所述第二射频芯片的封装形式为bga封装。
32.本发明的天线模组，所述第一射频连接线和第二射频连接线均为带状线，且多个
所述带状线的传输相位差小于360度。
33.本发明的天线模组，所述第一射频芯片和所述第二射频芯片的封装形式为qfn封装。
34.本发明的天线模组，所述第一射频连接线和第二射频连接线均为带地的共面波导传输线，且多个所述带地的共面波导传输线的传输相位差小于360度。
35.本发明的一种电子设备，包括上述任意一项所述的毫米波天线，或者包括上述任意一项所述的阵列天线，或者包括上述任意一项所述的阵列天线。
36.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
37.本发明一实施例通过设置从上到下依次堆叠的第一介质基板、第二介质基板、地板和第三介质基板，将第一辐射贴片设置在第一介质基板的上表面，将共面波导的第一差分馈电网络、第二差分馈电网络设于第三介质基板的下表面形成正交辐射，并通过贯穿的过孔实现两个差分馈电网络与第一辐射贴片的电连接；将第一差分馈电网络和第二差分馈电网络设置于同一层，在保证天线性能的基础上，减少了pcb板的层数，同时所用的信号孔为机械孔，加工成本低，解决了现有毫米波天线设计层数较多、成本较高的问题。
附图说明
38.图1为本发明一实施例的毫米波天线3d透视图；
39.图2为本发明一实施例的毫米波天线底视图；
40.图3为本发明一实施例的毫米波天线侧视图；
41.图4为本发明一实施例的毫米波天线3d透视图；
42.图5为本发明一实施例的仿真的s参数；
43.图6为本发明一实施例的仿真的增益；
44.图7为本发明一实施例的仿真的交叉极化比；
45.图8为本发明一实施例的1*4阵列天线3d透视图；
46.图9为本发明一实施例的8*8阵列天线平面透视图；
47.图10为本发明一实施例的天线模组系统框图；
48.图11为本发明一实施例的天线模组平面透视图。
49.附图标记说明：1：第一辐射贴片；201：第一差分馈电网络；2011：第一馈电输入传输线；2012：第一馈电输出传输线；202：第二差分馈电网络；2021：第二馈电输入传输线；20211：阻抗匹配线；2022：第二馈电输出传输线；2023：第三馈电输出传输线；3：地板；4：过孔；401：第一金属化过孔；402：第二金属化过孔；403：第三金属化过孔；404：第四金属化过孔；5：第一介质基板；6：第二介质基板；7：第三介质基板；8：第二辐射贴片；9：第四介质基板；10：第五介质基板；11：第一串联功分器；12：第二串联功分器；1301：第一射频芯片；1302：第二射频芯片；1401：第一射频连接器；1402：第二射频连接器；15：射频连接线。
具体实施方式
50.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种毫米波天线、天线阵列、天线模组及电子设备作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更
清楚。
51.参看图1至图3，在一个实施例中，一种毫米波天线，从上到下依次包括第一辐射贴片1、第一介质基板5、第二介质基板6、地板3、第三介质基板7和第一差分馈电网络201。该毫米波天线还包括第二差分馈电网络202和若干过孔4。
52.其中，第一辐射贴片1位于第一介质基板5的上表面。地板3位于第二介质基板6的下表面或第三介质基板7的上表面，第二介质基板6可为半固化片。第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202分别设于第三介质基板7的下表面。第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202位于同一层，为共面波导并用于形成天线的正交辐射。若干过孔4贯穿地板3、第一介质基板5、第二介质基板6和第三介质基板7，且过孔4的两端分别电连接第一辐射贴片1与对应第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202。
53.本实施例通过设置从上到下依次堆叠的第一介质基板5、第二介质基板6、地板3和第三介质基板7，将第一辐射贴片1设置在第一介质基板5的上表面，将共面波导的第一差分馈电网络201、第二差分馈电网络202设于第三介质基板7的下表面形成正交辐射，并通过贯穿的过孔4实现两个差分馈电网络与第一辐射贴片1的电连接；将第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202设置于同一层，在保证天线性能的基础上，减少了pcb板的层数，同时所用的信号孔为机械通孔，加工成本低，解决了现有毫米波天线设计层数较多、成本较高的问题。
54.本实施例的毫米波天线采用pcb多层板工艺加工而成，下面对本实施例的毫米波天线的具体结构进行进一步说明：
55.在本实施例中，第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202均由带地的共面波导传输线实现。
56.其中，第一差分馈电网络201包括第一馈电输入传输线2011、第一馈电输出传输线2012。第一馈电输入传输线2011直接和第一馈电输出传输线2012相连。第一馈电输出传输线2012两端通过第一金属化过孔401和第二金属化过孔402分别和第一辐射贴片1相连。第一馈电输出传输线2012传输相位为180度。用于实现第一辐射贴片1的 45度极化方向辐射。
57.第二差分馈电网络202包括第二馈电输入传输线2021、第二馈电输出传输线2022和第三馈电输出传输线2023。第一馈电输入传输线2011通过t型结分别和第二馈电输出传输线2022和第三馈电输出传输线2023相连。第二馈电输出传输线2022和第三馈电输出传输线2023分别通过第三金属化过孔403、第四金属化过孔404和第一辐射贴片1相连。第二馈电输出传输线2022和第三馈电输出传输线2023传输相位差为180度。用于实现第一辐射贴片1的
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45度极化方向辐射。第二馈电输入传输线2021还包括电连接于第二馈电输入传输线2021与t型结之间的阻抗匹配线20211，阻抗匹配线20211具体可为1/4波长阻抗匹配线20211，1/4波长阻抗匹配线20211用于实现一种毫米波天线的阻抗匹配。
58.在本实施例中，毫米波天线还包括若干屏蔽孔，若干屏蔽孔分布于第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202的周围，用于抑制带地的共面波导传输线周围高次模的产生。
59.第一辐射贴片1的形状为圆形或多边形或圆形与多边型的组合结构。为满足毫米波天线正交辐射的需求，在本实施例中，第一辐射贴片1的形状为正方形，但其形状不限于此，在此不作具体限定。
60.实施例二
61.参看图4，本实施例在上述实施例一的基础上提供了另一种毫米波天线，本实施例的毫米波天线还包括自上而下依次堆叠在第一辐射贴片1上方的第二辐射贴片8、第四介质基板9和第五介质基板10。且第二辐射贴片8在地板3上的投影与第一辐射贴片1在地板3上的投影相重叠。其中，第五介质基板10可为半固化片。
62.具体地，第二辐射贴片8的形状可为正方形，且第二辐射贴片8与第一辐射贴片1的中轴线重合。第一辐射贴片11通过耦合方式在第二辐射贴片88上激发出新的谐振模式，从而拓宽了一种毫米波天线的带宽。
63.图5为本发明一实施例仿真的s参数，可见 45度极化10db回波损耗带宽为26
‑
30.4ghz，
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45度极化10db回波损耗带宽为26.4
‑
30.1ghz，且两极化端口之间的隔离度大于30db。能够覆盖n257和n261频段。
64.图6为本发明实施例仿真的增益随频率变化的曲线图，可见，在26.5～29.5ghz，增益大于5dbi。
65.图7为本发明实施例仿真的交叉极化比，可见，在28ghz切在
‑
60度～ 60度范围内，e面和h面交叉极化比均大于25db。
66.实施例三
67.本实施例为包含上述实施例一或实施例二中的毫米波天线的一种阵列天线。在毫米波天线的基础上，还包括若干第一串联功分器11和第二串联功分器12。第一串联功分器11分别与多个第一差分馈电网络201电连接，用于实现多个第一差分馈电网络201的并联。第二串联功分器12分别与多个第二差分馈电网络202电连接，用于实现多个第二差分馈电网络202的并联。通过设置串联功分器实现一拖多个毫米波天线单元，以在紧凑的空间内实现天线阵列的馈电。
68.本实施例通过设置第一串联功分器11和第二串联功分器12，实现了1*4的双极化毫米波天线子阵。如图8所示，第一串联功分器11为一分四功分器，其通过输出等幅同相的射频信号和四个 45度极化的毫米波天线单元相连，实现天线方向性的增强；第二串联功分器12也为一分四功分器，其通过输出等幅同相的射频信号和四个
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45度极化的毫米波天线单元相连，实现天线方向性的增强。另外，第一串联功分器11、第二串联功分212、第一差分馈电网络201和第二差分馈电网络202均位于同一层。较少的pcb层数，进而降低了加工成本。
69.进一步的，通过将1*4子阵按照2*8矩阵排布，实现8*8阵列天线，如图9所示。此阵列线具有较高的增益和较少的馈电输入端口，能够有效的减少射频芯片的使用数量。
70.实施例四
71.本实施例提供了包括上述实施例三中的阵列天线的一种天线模组。本实施例的天线模组还包括电源数据连接器、第一射频芯片1301、第二射频芯片1302、第一射频连接线和第二射频连接线。
72.电源数据连接器与第一射频芯片1301和第二射频芯片1302的部分端口电连接，用于实现第一射频芯片1301和第二射频芯片1302的供电和控制。多个第一射频芯片1301的射频输出端分别与多个第一射频连接线电连接，多个第一射频连接线分别与多个第一串联功分器11电连接。多个第二射频芯片1302的射频输出端分别与多个第二射频连接线电连接，
多个第二射频连接线分别与多个第二串联功分器12电连接。同时，还设有与第一射频芯片1301和第二射频芯片1302连接的第一射频连接器1401和第二射频连接器1402。
73.其中，第一射频芯片1301和第二射频芯片1302的封装形式为bga封装。第一射频连接线和第二射频连接线均为带状线，且多个带状线的传输相位差小于360度。
74.在其他实施例中，第一射频芯片1301和第二射频芯片1302的封装形式可为qfn封装。此时，第一射频连接线和第二射频连接线均为带地的共面波导传输线，且多个带地的共面波导传输线的传输相位差小于360度。
75.如图10所示，为天线模组的系统框图，图11为天线模组的透视图。其在实施例二的基础上，将8*8天线阵列设计在模组的中央，第一射频芯片13011301和第二射频芯片13021302分别位于8*8天线阵列的周围。射频芯片为多通道毫米波相控阵芯片，本实施例为16通道毫米波相控阵芯片，且为bga封装，其中8通道为 45度极化，8通道为
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45度极化。射频芯片的输出口分别通过射频连接线15和多个第一串联功分器11和多个第二串联功分器12相连。射频连接线15为带状线，并在适当位置同过金属化过孔4过度到表层并与第一串联功分器11或第二串联功分器12相连。第一射频芯片1301，即 45极化射频芯片通道通过相同的相位差的第一射频连接线和第一串联功分器11相连；第二射频芯片1302，即
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45度极化射频芯片通道通过相同的相位差的第二射频连接线和第二串联功分器12相连。从而实现宽带范围内的波束扫描。第一射频芯片1301和第二射频芯片1302表贴于所述第三介质基板7的下表面，且位于第一串联功分器11和第二串联功分器12以外的区域。通过将射频芯片设置于辐射贴片在pcb板投影的区域之外，在不增加pcb板层数的情况下实现有源天线模组的设计。
76.实施例五
77.基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种电子设备，包括有上述实施例一或实施例二的毫米波天线，或者包括上述实施例三的阵列天线，或者包括上述实施例四的阵列天线。
78.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。