CN103066385B - 用于系统级封装的ltcc双层微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于系统级封装的LTCC双层微带天线，自上而下包括天线覆层(1)、上层辐射单元(2)、中间夹层(3)、下层辐射单元(4)、天线衬底层(5)、内部接地板(6)、封装体(7)、外部接地板(8)；本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)本发明采用3D-MCM技术，在封装体内部开设空腔，可以内置IC裸芯片，使系统的尺寸更小、功能更加多样化。(2)本发明在外部接地板处使用全地设计，从而使天线的没有空间上的使用限制，不必置于PCB板边角。(3)本发明采用双层微带线作为辐射单元，从而使得天线在保持较小横向尺寸的同时，获得2.35GHz-2.55GHz较大带宽。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波通信技术领域，涉及天线技术和系统级封装技术，尤其涉及同轴馈电的叠层微带天线技术。
背景技术
随着现代室内移动通讯设备的普及，在很多应用场合都需要体积小、重量轻的天线装置。微带天线以其剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点而成为人们关注的焦点，并广泛以用于蓝牙、无线USB、WIFI等领域。但是普通的单层微带天线也有其固有的缺点，即阻抗带宽较窄，一般只有百分之几，这一点限制了它的实际应用。
在过去几年中，科研工作者们为了在保持天线较大带宽和较小尺寸方面不断创新。本发明就是通过在双层微带天线上采用边角馈电的方式和添加短路针的方式，有效地在控制天线高度的同时，保持了天线的较大带宽，而且并未改变天线的极化方式。
系统级封装技术从20世纪90年代提出到现在，已经被学术界和工业界的广泛接受，并成为电子技术研究热点和技术应用的主要方向之一。通过系统级封装，可以尽可能多的把无源器件和小功率有源器件埋入基板内，因此是电子系统集成化、小型化、微型化的有效途径。
LTCC技术，即低温共烧陶瓷技术，是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，而且已成为无源集成的主流技术。陶瓷基板可内置无源元件和贴装有源器件，制成无源和有源集成的功能模块，可进一步将通讯组件小型化。
发明内容
本发明综合上述考虑，提供一种体积小、带宽大，可内部集成IC，实现系统级封装的LTCC双层微带天线，以满足2.35GHz-2.55GHz频段的蓝牙、无线USB、WiFi的应用。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种用于系统级封装的LTCC双层微带天线，自上而下包括天线覆层(1)、上层辐射单元(2)、中间夹层(3)、下层辐射单元(4)、天线衬底层(5)、内部接地板(6)、封装体(7)、外部接地板(8)；天线覆层(1)采用厚度H＝0.79mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料，中间夹层(3)采用厚度3.3mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料，天线衬底层(5)采用厚度1.03mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料；天线衬底层(5)下表面涂有银或金作为内部接地金属层(6)；外部接地板(8)采用介电常数为4.4的PCB板，长度为41mm，宽度为41mm；上层辐射单元(2)和下层辐射单元(4)的特性阻抗为50Ω，下层辐射单元(2)的边长PL＝20.2mm，上层辐射单元(2)的边长为UPL＝17.9mm；天线衬底(5)开设有第一垂直通孔(9)、第二垂直通孔(10)；第一垂直通孔(9)与天线衬底(5)的最近边界与次最近边界的距离分别为L3＝10.25mm和L4＝12.8mm，第二垂直通孔(10)与衬底最近边界与次最近的距离分别为L5＝12.4mm和L4＝12.8mm。
所述的用于系统级封装的LTCC双层微带天线，上层辐射单元(2)和下层辐射单元(4)都采用微带线结构，形状为正方形片的上层辐射单元(2)与形状为正方形片的下层辐射单元(4)的中心轴不在同一直线上；下层辐射单元(4)与中间夹层(3)边界距离L1为11.4mm，而上层辐射单元(2)与中间夹层(3)边界距离L2＝11.55mm。
所述的用于系统级封装的LTCC双层微带天线，天线覆层(1)厚度H1＝0.83mm；天线衬底(5)厚度H3＝1.32mm；上层辐射单元(2)与下层辐射单元(4)中心轴在同一直线上，上层辐射单元(2)距介质层边界距离为L1＝13.2mm，下层辐射单元(4)距介质层边界距离为L2＝13.9mm；封装体每个封装侧壁的厚度W1＝2mm，其上通孔间距为0.8mm。
所述的用于系统级封装的LTCC双层微带天线，内部接地金属层(6)涂覆在天线衬底(5)的下面，用于最小化天线和封装体(7)之间的不需要的耦合；内部接地金属层(6)内开设有一个与第一垂直通孔(9)相通的第一通孔(12)，第一通孔(12)的直径0.5mm，大于第一垂直通孔(9)的直径0.25mm，用于作为天线的馈电通道；外部接地金属层(8)内开设有一个与第一垂直通孔(9)和第一通孔(12)相通的第二通孔(13)，第二通孔(13)的直径0.5mm，用于作为天线的馈电通道。
所述的用于系统级封装的LTCC双层微带天线，封装体(7)包括四个封装侧壁(16)，四个封装侧壁(16)围成一内部空腔(15)，封装体(7)与下层辐射单元(4)同轴；封装体(7)高度为4mm，边长为20.2mm，材料为介电常数为7.8的LTCC介质材料；每个封装侧壁(16)的壁厚为2mm，其上有若干开孔，孔间距为1mm；开孔内灌装银材料，用于将外部接地板(8)与下层辐射单元(4)连接为一体。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：
(1)本发明采用3D-MCM技术，在封装体内部开设空腔，可以内置IC裸芯片，使系统的尺寸更小、功能更加多样化。
(2)本发明在外部接地板处使用全地设计，从而使天线的没有空间上的使用限制，不必置于PCB板边角。
(3)本发明采用双层微带线作为辐射单元，从而使得天线在保持较小横向尺寸的同时，获得2.35GHz-2.55GHz较大带宽。
(4)本发明由于将馈电孔置于辐射单元边角处，又另一边角处添加短路针，显著减小了天线的高度，而且并未改变天线的线极化方式，
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明系统中的天线辐射单元的结构示意图(俯视图)；
图3是本发明系统中的天线衬底；
图4是内(外)部接地板示意图(俯视图)；
图5是本发明系统封装层的结构示意图(俯视图)；
图6是本发明系统与反射损耗S11之间的关系仿真图；
图7是本发明系统的增益方向图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
参照图1，本发明系统包括八层，第一层为天线覆层1，第二层为上层辐射单元2，第三层为中间夹层3，第四层为下层辐射单元4，第五层为天线衬底层5，第六层为内部接地板6，第七层为封装体7，第八层为外部接地板8。其中：第一层天线覆层1采用厚度H＝0.79mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料构成，第三层中间夹层3采用厚度H＝3.3mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料构成，第五层天线衬底层5采用厚度H＝1.03mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料构成。第五层下表面涂有银或金作为内部接地金属层6；第七层封装体7采用介电常数为7.8的LTCC材料；第八层外部接地板8采用介电常数为4.4的PCB板，长度为41mm，宽度为41mm。
上层辐射单元2和下层辐射单元4都采用微带线结构，形状为正方形片的上层辐射单元2与形状为正方形片的下层辐射单元4的中心轴不在同一直线上。下层辐射单元4与中间夹层3边界距离L1为11.4mm，而上层辐射单元2与中间夹层3边界距离L2＝11.55mm。两层辐射单元的特性阻抗为50Ω，下层辐射单元2的边长PL＝20.2mm，上层辐射单元2的边长为UPL＝17.9mm。
第五层的天线衬底5，其结构如图3，它开设有两个垂直通孔9、10。垂直通孔9与天线衬底5的最近边界与次最近边界的距离分别为L3＝10.25mm和L4＝12.8mm，垂直通孔10与衬底最近边界与次最近的距离分别为L5＝12.4mm和L4＝12.8mm。
第六层的内部接地金属层6，如图4，涂覆在天线衬底5的下面，用于最小化天线和封装体7之间的不需要的耦合。内部接地金属层6内开设有一个与垂直通孔9相通的通孔12，该通孔12的直径0.5mm，大于垂直通孔9的直径0.25mm，用于作为天线的馈电通道。外部接地金属层8内开设有一个与垂直通孔9和通孔12相通的通孔13，该通孔13的直径0.5mm，用于作为天线的馈电通道。
第七层的封装体7，其结构如图5所示，四个封装侧壁16围成一内部空腔15，封装体7与下层辐射单元4同轴。封装体7高度H4为4mm，边长为PL＝20.2mm，材料为介电常数为7.8的LTCC介质材料。每个封装侧壁的壁厚W1为2mm，其上有若干开孔，孔间距为1mm。通孔内灌装银材料，用于将外部接地板8与下层辐射单元4连接为一体。
实施例2
总体结构与实施例1相同，其不同参数如下：
天线覆层1厚度H1＝0.83mm。
天线衬底5厚度H3＝1.32mm
正方形片上层辐射单元与正方形片下层辐射单元采用共轴设计，中心轴在同一直线上，即上层辐射单元2距中间夹层3边界距离为L1＝13.2mm，下层辐射单元4距中间夹层3边界距离为L2＝13.9mm。
封装体每个封装侧壁的厚度W1＝2mm，其上通孔间距为0.8mm。
采用此实例可改变天线的谐振频率。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
采用电磁场仿真软件Ansoft-HFSS对实施例1进行仿真，得到的天线反射系数S11曲线如图6，辐射方向图如图7。
图6表明，天线的谐振点为2.4GHz，该点处的反射系数是-21.4613dB，在2.35GHz-2.55GHz频率范围的反射系数小于-10db。
图7为天线的辐射方向图。
可见，该集可用于系统级封装的LTCC双层微带天线能满足蓝牙、无线USB、WIFI等领域在2.35GHz-2.55GHz带宽内的使用要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种用于系统级封装的LTCC双层微带天线，其特征在于，自上而下包括天线覆层(1)、上层辐射单元(2)、中间夹层(3)、下层辐射单元(4)、天线衬底层(5)、内部接地板(6)、封装体(7)、外部接地板(8)；天线覆层(1)采用厚度H＝0.79mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料，中间夹层(3)采用厚度3.3mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料，天线衬底层(5)采用厚度1.03mm、介电常数为7.8的LTCC介质材料；天线衬底层(5)下表面涂有银或金作为内部接地金属层(6)；外部接地板(8)采用介电常数为4.4的PCB板，长度为41mm，宽度为41mm；上层辐射单元(2)和下层辐射单元(4)的特性阻抗为50Ω，下层辐射单元(2)的边长PL＝20.2mm，上层辐射单元(2)的边长为UPL＝17.9mm；天线衬底(5)开设有第一垂直通孔(9)、第二垂直通孔(10)；第一垂直通孔(9)与天线衬底(5)的最近边界与次最近边界的距离分别为L3＝10.25mm和L4＝12.8mm，第二垂直通孔(10)与衬底最近边界与次最近的距离分别为L5＝12.4mm和L4＝12.8mm；
上层辐射单元(2)和下层辐射单元(4)都采用微带线结构，形状为正方形片的上层辐射单元(2)与形状为正方形片的下层辐射单元(4)的中心轴不在同一直线上；下层辐射单元(4)与中间夹层(3)边界距离L1为11.4mm，而上层辐射单元(2)与中间夹层(3)边界距离L2＝11.55mm；
天线覆层(1)厚度H1＝0.83mm；天线衬底(5)厚度H3＝1.32mm；上层辐射单元(2)与下层辐射单元(4)中心轴在同一直线上，上层辐射单元(2)距介质层边界距离为L1＝13.2mm，下层辐射单元(4)距介质层边界距离为L2＝13.9mm；封装体每个封装侧壁的厚度W1＝2mm，其上通孔间距为0.8mm；
内部接地金属层(6)涂覆在天线衬底(5)的下面，用于最小化天线和封装体(7)之间的不需要的耦合；内部接地金属层(6)内开设有一个与第一垂直通孔(9)相通的第一通孔(12)，第一通孔(12)的直径0.5mm，大于第一垂直通孔(9)的直径0.25mm，用于作为天线的馈电通道；外部接地金属层(8)内开设有一个与第一垂直通孔(9)和第一通孔(12)相通的第二通孔(13)，第二通孔(13)的直径0.5mm，用于作为天线的馈电通道；
封装体(7)包括四个封装侧壁(16)，四个封装侧壁(16)围成一内部空腔(15)，封装体(7)与下层辐射单元(4)同轴；封装体(7)高度为4mm，边长为20.2mm，材料为介电常数为7.8的LTCC介质材料；每个封装侧壁(16)的壁厚为2mm，其上有若干开孔，孔间距为1mm；开孔内灌装银材料，用于将外部接地板(8)与下层辐射单元(4)连接为一体。
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