贴片天线单元以及封装天线阵列的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种贴片天线单元以及封装天线阵列。


背景技术：

2.3gpp的5g标准定义了nr-fr2的5个毫米波频段n257-n261，包含了24.25-29.5ghz和37-43.5ghz。在同一封装天线(antenna in package，aip)模块中支持以上5个频段n257-n261，将有助于实际应用的各种需求。5g移动智能终端功能结构日趋复杂，工业设计追求纤薄，因此芯片封装也应尽可能遵从小型化低成本设计。
3.综合毫米波移动通信的各种技术需求，采用收发芯片(trx rfic)与天线阵列集成的aip形式，最有利于实现高度集成的毫米波前端单芯片或模组的功能与性能，从而有利于移动终端和各种小型化设备的应用。aip通过封装基板实现天线阵列与馈电网络，因此多采用微带贴片天线(microstrip antenna，msa)作为天线单元。传统msa相对带宽较窄，普通单层msa相对带宽《5％，无法满足覆盖全频段的需求。此外，系统还要求实现两个正交的极化模式，并保持较高的极化间隔离以满足多输入多输出(multi input multi output，mimo)等系统需求。现有的叠层宽带双极化msa技术如图1所示，结构需要6层以上，至少包括2层堆叠贴片、2层双极化馈电网络布线、1层开槽接地和1层反射器，有较多参数对msa的最终性能产生影响，结构工艺复杂，成本大，封装的厚度大，难以满足当今移动终端的纤薄工业设计要求以及高集成低成本大批量的产品要求。
4.因此，需要一种新的贴片天线单元以及封装天线结构。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种贴片天线单元，包括：衬底；两组叠层贴片，分别堆叠形成于所述衬底上，所述两组叠层贴片的几何轴线相互垂直，其中，所述叠层贴片中每层贴片的辐射边缘形状为函数曲线形状，不同层贴片的辐射边缘形状为积分正交的函数曲线形状，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线包括波纹函数曲线。
6.可选地，所述函数曲线形状对应的函数曲线为三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线。
7.可选地，每组叠层贴片包括两层贴片，其中一层贴片的辐射边缘形状对应的函数曲线为：
8.y＝a1cos(n
·
2π
·
x/w)，
9.其中，w为所述贴片的辐射边缘一端至另一端的直线距离，a1为所述函数曲线延伸的幅度，n为所述函数曲线随所述贴片的辐射边缘变化的周期数。
10.可选地，另一层贴片的辐射边缘形状对应的函数曲线为：
11.y＝a2cos(n’·
2π
·
x/w)，
12.其中，w为所述贴片的辐射边缘一端至另一端的直线距离，a2为所述函数曲线延伸的幅度，n’为所述函数曲线随所述贴片的辐射边缘变化的周期数。
13.可选地，n的取值为1或2，n’的取值为2或1。
14.可选地，所述波纹函数曲线为三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线，其周期数为大于3的整数。
15.可选地，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线为所述波纹函数曲线与凹函数曲线的叠加，所述凹函数曲线为三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线，其周期数为1或2。
16.可选地，所述波纹函数曲线为：
17.y＝a0cos(n
·
2π
·
x/l)，
18.其中，l为所述贴片的非辐射边缘一端至另一端的直线距离，a0为所述波纹函数曲线延伸的幅度，n为所述波纹函数曲线随所述贴片的非辐射边缘变化的周期数，n大于3。
19.可选地，所述凹函数曲线为：
20.y＝a1cos(n’·
2π
·
x/l)，
21.其中，l为所述贴片的非辐射边缘一端至另一端的直线距离，a1为所述凹函数曲线延伸的幅度，n’为所述凹函数曲线随所述贴片的非辐射边缘变化的周期数，n’为1或2。
22.可选地，所述衬底的厚度与所述贴片天线单元的工作频率对应的波长满足下述关系：
23.h/λ0＜1/10，
24.其中，h为所述衬底的厚度，λ0为所述贴片天线单元的工作频率对应的波长。
25.本发明实施例还提供了封装天线阵列，其特征在于，包括多个上述贴片天线单元。
26.可选地，所述封装天线阵列还包括：一个或多个低频天线单元。
27.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点。
28.本发明实施例提供的贴片天线单元包括：衬底；两组叠层贴片，分别堆叠形成于所述衬底上，所述两组叠层贴片的几何轴线相互垂直，其中，所述叠层贴片中每层贴片的辐射边缘形状为函数曲线形状，不同层贴片的辐射边缘形状为积分正交的函数曲线形状，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线包括波纹函数曲线。在所述贴片天线单元中，将两组叠层贴片设置成几何轴线相互垂直的方式放置，从而实现相互正交的两个极化方向，完成双极化工作。此外，在贴片的辐射边缘使用函数曲线形状，且不同层的辐射边缘使用积分正交的函数曲线形状，由此可以产生多个谐振模式，增加工作带宽。在贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状，形成慢波传输结构，从而减小贴片的面积。在常规封装基板工艺条件下，所述贴片天线单元的结构可以取得良好的阻抗匹配、天线增益和极化间隔离等性能指标，满足aip宽频带单元的技术要求。由于采用相互独立的极化单元和频带单元，极化与频带间隔离都可得到较好的保证。
29.进一步，在贴片的非辐射边，使用高周期数的函数形成波纹形状边缘，使电磁波沿贴片的传输产生慢波效应以缩小传输的距离。
30.进一步，针对贴片的非辐射边，在高周期数函数上还可以叠加一个低次函数形成非辐射边缘向内的凹陷，进一步缩小面积，并增加两个极化单元间的距离从而提高极化间隔离。
31.进一步，本发明实施例提供的贴片天线单元易于与低频天线单元组成全频段的封装天线阵列，以覆盖nr-fr2的全频段。
附图说明
32.图1是现有技术中的一种叠层双极化贴片天线单元的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的结构示意图；
34.图3示出了图2所示的贴片天线单元的宽带阻抗特性的阻抗圆图；
35.图4示出了图2所示的贴片天线单元的宽带阻抗特性的回波损耗；
36.图5示出了图2所示的贴片天线单元的极化间隔离度；
37.图6示出了图2所示的贴片天线单元的天线增益；
38.图7是本发明实施例提供的一种贴片天线阵列的结构示意图；以及
39.图8是本发明实施例提供的另一种贴片天线阵列的结构示意图。
具体实施方式
40.本发明实施例提供了一种贴片天线单元包括：衬底；两组叠层贴片，分别堆叠形成于所述衬底上，所述两组叠层贴片的几何轴线相互垂直，其中，所述叠层贴片中每层贴片的辐射边缘形状为函数曲线形状，不同层贴片的辐射边缘形状为积分正交的函数曲线形状，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线包括波纹函数曲线。在所述贴片天线单元中，将两组叠层贴片设置成几何轴线相互垂直的方式放置，从而实现相互正交的两个极化方向，完成双极化工作。此外，在贴片的辐射边缘使用函数曲线形状，且不同层的辐射边缘使用积分正交的函数曲线形状，由此可以产生多个谐振模式，增加工作带宽。在贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状，形成慢波传输结构，从而减小贴片的面积。在常规封装基板工艺条件下，所述贴片天线单元的结构可以取得良好的阻抗匹配、天线增益和极化间隔离等性能指标，满足aip宽频带单元的技术要求。由于采用相互独立的极化单元和频带单元，极化与频带间隔离都可得到较好的保证。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例作详细的说明。
42.参考图2，图2是本发明实施例提供的一种贴片天线单元的结构示意图。
43.本实施例中，所述贴片天线单元包括：衬底10；两组叠层贴片，分别堆叠形成于所述衬底10上，其中一组叠层贴片包括贴片111和112，另一组叠层贴片包括贴片121和122。
44.在其他实施例中，每组叠层贴片也可以包括两个以上贴片。
45.在一些实施例中，所述衬底10为介质基板或者印刷电路板。
46.如图2所示，所述两组叠层贴片的几何轴线相互垂直，通过此种设置，可以实现相互正交的两个极化方向，完成双极化工作，即垂直极化和水平极化(v/h polarization)。在一些实施例中，所述两组叠层贴片间的距离是可调节的，对具体数值不做限定。
47.继续参考图2，所述贴片111包括两个辐射边缘1111和1113，两个非辐射边缘1112和1114，所述贴片112包括两个辐射边缘1121和1123，两个非辐射边缘1122和1124。类似的，所述贴片121和122也分别包括两个辐射边缘和两个非辐射边缘。
48.在一些实施例中，每层贴片的辐射边缘形状为函数曲线形状。具体的，所述函数曲线形状对应的函数曲线可以是三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线，其周期数为1或2。也就是说，辐射边缘形状为低周期函数曲线形状。
49.在一些实施例中，每组叠层贴片中，不同层贴片的辐射边缘形状为积分正交的函
数曲线形状，从而使其可以产生叠层谐振腔体耦合模式的解耦，支持独立的模式谐振于不同频率，达到展宽工作带宽的目的。
50.在一些实施例中，每组叠层贴片中，一层贴片的辐射边缘形状对应的函数曲线可以为：
51.y＝a1cos(n
·
2π
·
x/w)，
52.其中，w为所述贴片的辐射边缘一端至另一端的直线距离，a1为所述函数曲线延伸的幅度，n为所述函数曲线随所述贴片的辐射边缘变化的周期数。
53.相应的，该组叠层贴片中，另一层贴片的辐射边缘形状对应的函数曲线可以为：
54.y＝a2cos(n’·
2π
·
x/w)，
55.其中，w为所述贴片的辐射边缘一端至另一端的直线距离，a2为所述函数曲线延伸的幅度，n’为所述函数曲线随所述贴片的辐射边缘变化的周期数。
56.在一些实施例中，n的取值为1或2，对应的，n’的取值为2或1，即所述辐射边缘形状均为低周期函数曲线形状。
57.在一些实施例中，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线包括波纹函数曲线。具体的，所述波纹函数曲线可以是三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线，其周期数为大于3的整数。在实际应用中，考虑到工艺可实现性，所述波纹函数曲线的周期数可以为4至8间的任意整数。通过在贴片的非辐射边缘使用此种波纹状函数形状，形成慢波传输结构，从而减小贴片的面积。
58.在一些实施例中，所述波纹函数曲线可以为：
59.y＝a0cos(n
·
2π
·
x/l)，
60.其中，l为所述贴片的非辐射边缘一端至另一端的直线距离，a0为所述波纹函数曲线延伸的幅度，n为所述波纹函数曲线随所述贴片的非辐射边缘变化的周期数，n大于3。
61.在一些实施例中，每层贴片的非辐射边缘形状对应的函数曲线为所述波纹函数曲线与凹函数曲线的叠加，所述凹函数曲线可以是三角函数曲线、抛物线函数曲线、双曲线函数曲线或椭圆函数曲线，其周期数为1或2，即低周期的凹函数。通过在慢波结构的基础上叠加一个凹陷低次函数，从而缩小贴片的面积，并且增大两组极化单元间的距离。
62.在一些实施例中，所述凹函数曲线可以为：
63.y＝a1cos(n’·
2π
·
x/l)，
64.其中，l为所述贴片的非辐射边缘一端至另一端的直线距离，a1为所述凹函数曲线延伸的幅度，n’为所述凹函数曲线随所述贴片的非辐射边缘变化的周期数，n’为1或2。
65.相应的，非辐射边缘形状对应的函数曲线可以为上述波纹函数曲线与上述凹函数曲线的叠加，即：
66.y＝a0cos(n
·
2π
·
x/l) a1cos(n’·
2π
·
x/l)。
67.由图2可以看出，辐射边缘1111、1113、1121和1123相对较平滑，因为其边缘形状采用的是低次周期函数曲线，而非辐射边缘1112、1114、1122和1124为凹陷的波纹状，因为其边缘形状采用的是高次周期函数曲线与凹函数曲线的叠加。
68.在现有技术中，通常通过增加衬底厚度提高天线阻抗带宽，然而毫米波频段厚衬底可能带来较大的表面波损耗。为了避免这一问题，并且在aip中为满足芯片封装的各项要求，在本发明的实施例中，所述衬底10的厚度与所述贴片天线单元的工作频率对应的波长
满足下述关系：
69.h/λ0＜1/10，
70.其中，h为所述衬底10的厚度，λ0为所述贴片天线单元的工作频率对应的波长。
71.继续参考图2，图2还示出了第一金属过孔13、第一馈线14、第二金属过孔15、第二馈线16和接地平面17。
72.接地平面17位于贴片天线和射频芯片(radio frequency integrated circuits，rfic，未图示，位于接地平面17的背面，即封装的最下方)之间，作为封装天线模块的全局接地，起到接地反射面作用，隔离馈线的寄生辐射，减小对阵列波束的影响，并隔离天线与rfic间的耦合干扰。rfic的i/o端口由第一馈线14通过穿过接地平面17的第一金属过孔13连接至第一组叠层贴片111和112对其产生激励，由第二馈线16通过穿过接地平面17的第二金属过孔15连接至第二组叠层贴片121和122对其产生激励。
73.在一些实施例中，所述rfic可以放在衬底的任意位置，比如衬底的中心，或者相对于衬底中心的其他位置，本发明实施例对所述rfic的具体位置不作限定。
74.参考图3和图4，图3示出了图2所示的贴片天线单元的宽带阻抗特性的阻抗圆图，图4示出了图2所示的贴片天线单元的宽带阻抗特性的回波损耗。
75.具体的，图3和图4示出了所述贴片天线单元在所述第一金属过孔13和所述第二金属过孔15对应的极化方向上的宽带阻抗特性，实线和虚线分别代表两个极化方向，实线为水平极化阻抗，虚线为垂直极化阻抗。图4中的横坐标为所述贴片天线单元的工作频率，纵坐标为回波损耗。具体地，在35-43.5ghz的频段上，相较现有技术，本发明实施例提供的贴片天线单元有较好的宽带阻抗特性，所述天线单元可以覆盖频段n259-n260。
76.参考图5，图5示出了图2所示的贴片天线单元的极化间隔离度。横坐标为所述贴片天线单元的工作频率，纵坐标为极化间隔离度。从实验结果可以看出，本发明实施例提供的天线单元有较好的极化间隔离度。
77.参考图6，图6示出了图2所示的贴片天线单元的天线增益。
78.具体的，图6示出了所述贴片天线单元在所述第一金属过孔13和所述第二金属过孔15对应的极化方向上的增益特性，图6中的横坐标为所述贴片天线单元的工作频率，纵坐标为天线增益。具体地，在高频段上，相较现有技术，所述贴片天线单元有较好的增益特性，在计入了各种损耗的条件下可实现增益约为6db。
79.因此，本发明实施例提供的所述贴片天线单元在高频段有较好的宽带阻抗特性和增益特性以及较好的极化间隔离度，从而增加了工作带宽，可以满足用户终端在高频段(包括n259-n260频段)的通信需求。
80.参考图7，图7是本发明实施例提供的一种贴片天线阵列的结构示意图。该贴片天线阵列包括多个贴片天线单元。具体的，每个贴片天线单元可以包括如图2所示的两组叠层贴片。
81.参考图8，图8是本发明实施例提供的另一种贴片天线阵列的结构示意图。该贴片天线阵列包括多组贴片天线单元，每组贴片天线单元包括两个图2所示的贴片天线单元(高频天线单元)和一个低频天线单元，从而组成覆盖nr-fr2全频段的aip阵列。图8示出了一组完整的贴片天线单元和另一组贴片天线单元中的高频天线单元。根据实际需求，贴片天线阵列可以包括两组或两组以上的所述贴片天线单元。
82.综上，在本发明实施例提供的贴片天线单元中，将两组叠层贴片设置成几何轴线相互垂直的方式放置，从而实现相互正交的两个极化方向，完成双极化工作。此外，在贴片的辐射边缘使用函数曲线形状，且不同层的辐射边缘使用积分正交的函数曲线形状，由此可以产生多个谐振模式，增加工作带宽。在贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状，形成慢波传输结构，从而减小贴片的面积。在常规封装基板工艺条件下，所述贴片天线单元的结构可以取得良好的阻抗匹配、天线增益和极化间隔离等性能指标，满足aip宽频带单元的技术要求。由于采用相互独立的极化单元和频带单元，极化与频带间隔离都可得到较好的保证。
83.进一步，在贴片的非辐射边，使用高周期数的函数形成波纹形状边缘，使电磁波沿贴片的传输产生慢波效应以缩小传输的距离。
84.进一步，针对贴片的非辐射边，在高周期数函数上还可以叠加一个低次函数形成非辐射边缘向内的凹陷，进一步缩小面积，并增加两个极化单元间的距离从而提高极化间隔离。
85.相应的，本发明实施例提供的贴片天线单元易于与低频天线单元组成全频段的封装天线阵列，以覆盖nr-fr2的全频段。
86.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。