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CN110611160B - 一种贴片天线单元及天线 - Google Patents

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CN110611160B CN201910749630.1A CN201910749630A CN110611160B CN 110611160 B CN110611160 B CN 110611160B CN 201910749630 A CN201910749630 A CN 201910749630A CN 110611160 B CN110611160 B CN 110611160B
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Abstract

本发明涉及到通信技术领域，公开了一种贴片天线单元、天线及通信设备。该贴片天线单元包括层叠的第一支撑层、基板、第二支撑层及集成电路，其中，第一支撑层和第二支撑层上分别贴附一个辐射贴片，第二支撑层设置有接地层，接地层上设置有耦合缝隙，第二支撑层设置有与耦合缝隙对应的馈线；集成电路分别与第一接地层及馈线连接。在上述具体技术方案中，通过使用4层基板进行制作，利用第三层的耦合缝隙，可将57‑66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。

Description

一种贴片天线单元及天线
技术领域
本发明涉及到通信技术领域，尤其涉及到一种贴片天线单元及天线。
背景技术
目前在无线个人通讯系统中(WPAN:wireless personal area network)60GHz频带的应用已引起大家的兴趣，主要是因为大家需要7GHz以上的较大的带宽。这较大的带宽和在毫米波的需求确实的在微波终端应用的设计上面临着很多的挑战，一般60GHz的无线前端产品通常是以昂贵的砷化镓微波集成电路来完成。要达到低价钱的目标，有些是用硅锗基成电路来完成，这些前端(front end)产品一般会将天线和管芯作在一起，也有的将天线用多个模块包含于封装体内(system in Chip，system on chip)。在这60GHz的应用，天线成了一个很重要的角色，最新的技术是可以将天线设计在传统介质层基板上，运用多管芯模块(MCM)封装技术，将天线与管芯同时封装于一个封装体内，这样就能将成本、尺寸缩小，又能达到通讯管芯特性规格提高产品竞争力。
在现有技术中，在封装体内实现60GHz天线器件的方式主要有：1.)通过多层介质层基板，天线数组在第一层，馈线放于第二层，接地平面放置于第二或三层，实现无源天线器件的集成；2.)将天线设计在集成电路上，基底放置于下面，通过封装技术直接将无源器件粘在管芯上。
在现有技术中，在封装体内基板上实现60GHz天线器件，这天线是使用馈线转狭槽，为了要匹配到槽线天线，该天线用了90°槽线的转折作实现，槽线馈线和馈线的输入线是在同一直在线的，这形成了一个较小面积但可增加带宽的设计。他被设计在叉形物的金属载体里。不但有较好的强度，也容易和金属反射器(metallic reflector)作整合设计，这天线通常是用多层的LTCC(低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板作制作的。
但采用上述结构的天线时，在很多实现天线封装的过程中，天线若用缝隙馈电，天线增益将受制作工艺影响巨大，另外天线频宽也不易控制。这种集成方式在一些大量量产中是无法实现的。
现有技术的另一种方式是用多层支撑层及贴片天线数组放在基板最上层，使用第一层与第二层介质层间的馈线作为天线馈入用，接地平面置于第二层与第三层介质层间。
在此现有技术中，由于馈电方式由第二层馈入，以回损-10dB来看，带宽只有约4.6GHz，在65GHz天线回损更只有-7dB，由于天线增益较低所以才使用16个贴片天线来增加增益，这不仅让面积变得很大，天线特性也不佳。
发明内容
本发明提供了一种贴片天线单元及天线，用以提高天线的效率。
本发明实施例提供了一种贴片天线单元，该贴片天线单元包括第一支撑层，与所述第一支撑层层叠设置的基板，设置在所述基板背离所述第一支撑层一面的第二支撑层，设置在所述第二支撑层背离所述基板一面的集成电路，其中，
所述第一支撑层上背离所述基板的一面贴附有第一辐射贴片；
所述基板上背离所述第二支撑层的一面贴附有第二辐射贴片，且所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片中心对称；
所述第二支撑层朝向所述基板的一面设置有第一接地层，所述第一接地层上设置有耦合缝隙，所述第二支撑层背离所述基板的一面设置有通过所述耦合缝隙与所述第一辐射贴片和第二辐射贴片耦合连接的馈线；
所述集成电路分别与所述第一接地层及馈线电连接。
在上述具体技术方案中，通过使用4层基板进行制作，第一层铜片与第二层铜片均放置天线贴片单元，第三层作接地面并从中开了耦合缝隙，作为第四层结合集成电路及焊盘和馈线馈入用，利用第三层的耦合缝隙，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，具体的，馈线两端形成电磁场，其中的电场分量通过耦合缝隙，在两层辐射贴片感应出分布电流，分布电流形成电磁波辐射出去；并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。且在制作时，无需额外的制程，只需使原始的印刷电路基板的制程程序。
考虑实际加工的情况，具体的，实际基板加工的时候需要考虑每一层的覆铜率，覆铜率较高时，拥有更佳的加工可靠性与一致性。因此，在一种可能的设计中，还包括设置在所述第一支撑层且与所述第一辐射贴片同层设置的第二接地层，所述第二接地层与所述第一辐射贴片之间具有第一间隙；且所述第二接地层与所述第一接地层电连接。即在第一支撑层上覆铜，第一辐射贴片通过刻蚀等常见的加工工艺在覆铜上形成。
更进一步的，还包括设置在所述基板上且与所述第二辐射贴片同层设置的第三接地层，所述第三接地层与所述第二辐射贴片之间具有第二间隙，且所述第三接地层与所述第一接地层导电连接。在不同基板上设置的接地层以增加基板上的覆铜率，且在采用上述结构还会起到以下的作用：1、实际芯片集成时可以起到改善EMC性能的作用；2、加强天线正向辐射特性，仿真证明带上接地层包围后仿真增益比没有地铜片包围的情况提升0.5dB。
在具体设置时，所述第一间隙和所述第二间隙的宽度均大于等于所述贴片天线单元最大工作频率波长的十分之一波长。
第一接地层与集成电路导电连接具体是通过第四接地层连连接的，具体为：还包括设置在所述第二支撑层上且与所述馈线同层设置的第四接地层，所述第四接地层与所述馈线之间具有第三间隙，且所述第一接地层通过所述第四接地层与所述集成电路导电连接。通过设置的第四接地层即增加了覆铜面积，又方便了与集成电路的连接。
在具体制作过程中，所述集成电路分别通过锡球与所述第四接地层和馈线连接。具有良好的连接效果。
作为一个较佳的实施例，第一支撑层、第二支撑层及基板的覆铜率介于50～90％。
其中的第一辐射贴片与第二辐射贴片之间采用中心对称的方式排列，且第一辐射贴片与第二辐射贴片的面积比例介于0.9：1～1.2：1之间。
在一个可能的设计中，所述耦合缝隙的长度L的取值介于所述贴片天线单元最大功率频率对应的电波长的三分之一波长～五分之一波长，所述耦合缝隙的最大宽度为L的0.75～1倍，所述耦合缝隙最小宽度为L的0.2～0.3倍。
在一个具体的结构中，所述耦合缝隙包括两个平行的第一缝隙以及设置在所述两个第一缝隙之间并将所述两个第一缝隙连通的第二缝隙，且所述第一缝隙的长度方向垂直于所述第二缝隙的长度方向，所述馈线为矩形的铜片，所述馈线的长度方向垂直于所述第二缝隙的长度方向，且所述馈线在所述耦合缝隙所在平面上的垂直投影与所述第二缝隙交叉。
在具体选材时，所述第一支撑层、第二支撑层、基板及集成电路晶体管板均为树脂基板。
第二方面，本发明实施例还提供了一种天线，该天线包括馈源，与所述馈源连通的树状分支，且每个分支的节点设置有功分器，位于树状分支的端部分支连接有上述任一项所述的贴片天线单元。
在上述具体技术方案中，通过使用4层基板进行制作，第一层铜片与第二层铜片均放置天线贴片单元，第三层作接地面并从中开了耦合缝隙，作为第四层结合集成电路及焊盘和馈线馈入用，利用第三层的耦合缝隙，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，具体的，馈线两端形成电磁场，其中的电场分量通过耦合缝隙，在两层辐射贴片感应出分布电流，分布电流形成电磁波辐射出去；并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。且在制作时，无需额外的制程，只需使原始的印刷电路基板的制程程序。
附图说明
图1为本发明实施例提供的贴片天线单元的立体图；
图2为本发明实施例提供的贴片天线单元的主视图；
图3a～3e为本发明实施例提供的贴片天线单元的右视图；
图4为本发明实施例提供的贴片天线单元的另一结构示意图；
图5为本发明实施例提供的贴片天线单元的仿真结果；
图6为本发明实施例提供的贴片天线单元的三位增益图；
图7为本发明实施例提供的天线的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的天线的仿真结果；
图9为本发明实施例提供的天线的三位增益图；
图10为本发明实施例提供的另一天线的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的天线的仿真结果；
图12为本发明实施例提供的天线的三位增益图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种贴片天线单元，该贴片天线单元包括第一支撑层，与所述第一支撑层层叠设置的基板，设置在所述基板背离所述第一支撑层一面的第二支撑层，设置在所述第二支撑层背离所述基板一面的集成电路，其中，
第一支撑层上背离基板的一面贴附有第一辐射贴片；
基板上背离第二支撑层的一面贴附有第二辐射贴片，且第一辐射贴片与第二辐射贴片中心对称；
第二支撑层朝向基板的一面设置有第一接地层，第一接地层上设置有耦合缝隙，第二支撑层背离基板的一面设置有通过耦合缝隙与所述第一辐射贴片和第二辐射贴片耦合连接的馈线；
集成电路分别与第一接地层及馈线连接。
在上述具体实施例中，通过使用四层基板(第一支撑层、基板、第二支撑层、集成电路)进行制作，在第一支撑层和基板上分别设置的第一层铜片与第二层铜片均为天线辐射单元，第三层铜片(设置在第二支撑层上的铜片)作接地面并从中开了耦合缝隙，作为第四层结合集成电路及焊盘和馈线馈入用，第一辐射贴片和第二辐射贴片与馈线之间耦合连接，具体的，该耦合为利用第三层的耦合缝隙，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，在具体耦合连接时，馈线两端形成电磁场，其中的电场分量通过耦合缝隙，在两层辐射贴片感应出分布电流，分布电流形成电磁波辐射出去；并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。且在制作时，无需额外的制程，只需使原始的印刷电路基板的制程程序。
为了方便理解本发明实施例提供的贴片天线单元的理解，下面结合具体的实施例对其进行详细的说明。
一并参考图1及图2，其中图1示出了本发明实施例提供的贴片天线单元的结构示意图，图2示出了本发明实施例提供的贴片天线单元的分解示意图。
本发明实施例提供天线结构由四层组成，分别为第一支撑层1、基板2、第二支撑层3及集成电路4。其中，第一支撑层1、基板2、第二支撑层3以及基层晶体管板的基板2均为树脂材料以及比较薄的封装基板(比如总厚度小于650um)中实现57-66GHz全频段天线特性。
其中，第一辐射贴片11及第二辐射贴片21分别设置在第一支撑层1及基板2上背离第二支撑层3的一面，且第一辐射贴片11及第二辐射贴片21采用中心对称的方式设置，具体的，如图1所示，上下两层辐射单元呈中心对称，且在具体设置时，第一辐射贴片11和第二辐射贴片21可以采用不同的面积，其中，第一辐射贴片11与第二辐射贴片21的面积比例介于0.9：1～1.2：1之间，具体的如：0.9:1、0.95:1、1:1、1:1.1、1:1.2等任意介于1：1～1.2：1之间的比例。从而使得第一辐射贴片11和第二辐射贴片21可以在制作时出现细微的差别，降低制作时的工艺难度。采用两层辐射贴片层叠增加了天线有效面积，为天线带来了高带宽高增益的性能效果。
其中的第二支撑层3作为接地，具体的，第二支撑层3朝向基板2的一面设置有第一接地面，且第一接地面上设置有耦合缝隙32，第二支撑层3背离基板2的一面设置有通过耦合缝隙32与所述第一辐射贴片11和第二辐射贴片21耦合连接的馈线33；在具体使用时，利用第三层的耦合缝隙32，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，并且减少了寄生影响，为天线带来了高带宽高增益的性能效果。
如图3a～图3e，图3a～图3e示出了不同耦合缝隙32的形状。如图3a所示，图3a示出的耦合缝隙32为矩形，其长度为L，宽度为W，且在设置时，耦合缝隙32的长度L的取值介于贴片天线单元最大功率频率对应的电波长的三分之一波长～五分之一波长，较佳的，长度L为贴片天线单元最大功率频率对应的电波长的四分之一波长。如图3b所示，图3b示出的耦合缝隙32耦合缝隙包括两个平行的第一缝隙以及设置在所述两个第一缝隙之间并将所述两个第一缝隙连通的第二缝隙，且所述第一缝隙的长度方向垂直于所述第二缝隙的长度方向，且其长度为L，最大宽度为W1，最小宽度为W2。具体的，耦合缝隙32的长度L的取值介于贴片天线单元最大功率频率对应的电波长的三分之一波长～五分之一波长，耦合缝隙32的最大宽度为L的0.75～1倍，如：：0.75倍、0.8倍、0.9倍、1倍等，耦合缝隙32最小宽度为L的0.2～0.3倍，如0.2倍、0.25倍、0.3倍。在耦合缝隙32与馈线33具体对应时，如图3e所示，耦合缝隙32包括两个平行的第一缝隙以及设置在两个第一缝隙之间并将两个第一缝隙连通的第二缝隙，且第一缝隙的长度方向垂直于第二缝隙的长度方向，馈线33为矩形的铜片，馈线的长度方向垂直于第二缝隙的长度方向，且馈线在耦合缝隙所在平面上的垂直投影与第二缝隙交叉。馈线33通过耦合缝隙32将信号馈入到第一辐射贴片和第二辐射贴片。
在具体设置时，如图1所示，第一接地层31与集成电路4导电连接具体是通过第四接地层34连连接的，具体为：第二支撑层背离基板2的一面设置有第四接地层34，且第四接地层34与馈线33同层设置，且两者之间具有第三间隙，且第一接地层31通过第四接地层34与集成电路4导电连接。通过设置的第四接地层34即增加了覆铜面积，又方便了与集成电路4的连接。通过设置的第四接地层34实现了接地与集成电路4的连接，且在具体连接时，集成电路4中的接地电路通过锡球与第四接地层34焊接连接。集成电路4中的馈线33路通过锡球与馈线33连接，保证了接地以及馈线33与集成电路4上的电路的连接的牢固程度以及导电的稳定性。
如图4所示，图4示出了本发明实施例提供的另一贴片天线单元的结构示意图。
在图4所示的结构中，第一辐射贴片11、第二辐射贴片21、接地连接，缝隙馈电以及集成电路4的结构以及连接方式与图1中所示的贴片天线单元相同在此不再详细赘述。
考虑实际加工的情况，具体的，实际基板2加工的时候需要考虑每一层的覆铜率，覆铜率较高时，拥有更佳的加工可靠性与一致性。因此，在一种可能的设计中，第一支撑层1背离基板2的一面设置有第二接地层12，且第二接地层12与第一辐射贴片11同层设置，第二接地层12与第一辐射贴片之间具有第一间隙13，第二接地层12与第一接地层31导电连接，。即在第一支撑层1上覆铜，第一辐射贴片通过刻蚀等常见的加工工艺在覆铜上形成。
更进一步的，基板2背离第二支撑层3的一面设置有第三接地层22，第三接地层22与第一接地层31导电连接，第三接地层22与第二辐射贴片21同层设置，且两者之间具有第二间隙23。在不同基板2上设置的接地层以增加基板2上的覆铜率，且在采用上述结构还会起到以下的作用：1、实际芯片集成时可以起到改善EMC(Electro magnetic compatibility的缩写，即电磁兼容性)性能的作用；2、加强天线正向辐射特性，仿真证明带上接地层包围后仿真增益比没有设置的第一接地层31和第二接地层12包围的情况提升0.5dB。
在具体设置时，第一间隙13和第二间隙23的宽度均大等于于贴片天线单元最大工作频率波长的十分之一波长。
作为一个较佳的实施例，第一支撑层1、第二支撑层3及基板2的覆铜率介于50～90％。采用上述覆铜结构，便于第一辐射贴片11和第二辐射贴片21的加工，降低了加工的难度，同时，增设的第一接地层31和第二接地层12还可以有效的加强天线正向辐射特性。
如图5和图6所示，图5示出了图4所示结构的回波耗损的仿真结果，图6示出了图4所示结构的三位增益图。由图5可以看出，可以注意到回损在-10dB以下的WiGiG带宽，从54GHz到70GHz都符合，这代表此设计将有非常低的讯号损失，是个非常好的宽带设计。
本发明实施例还提供了一种天线，该天线包括馈源30，与所述馈源30电连通的功率分配网络，所述功率分配网络包括多个上述任一项的贴片天线单元10。
其中的贴片天线单元10通过使用4层基板2进行制作，第一层铜片与第二层铜片均放置天线贴片单元，第三层作接地面并从中开了耦合缝隙32，作为第四层结合集成电路及焊盘和馈线馈入用，利用第三层的耦合缝隙32，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，具体的，馈线两端形成电磁场，其中的电场分量通过耦合缝隙，在两层辐射贴片感应出分布电流，分布电流形成电磁波辐射出去；并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。且在制作时，无需额外的制程，只需使原始的印刷电路基板2的制程程序。
如图7和图10所示，图7和图10分别示出了不同的树状结构。首先参考图7，图7示出了采用两个贴片天线单元10的结构。在图7中，馈源30连接一个功分器20，每个功分器20分别连接一个贴片天线单元10。如图8和图9所示，图8示出了图7所示结构的回波耗损的仿真结果，图9示出了图7所示结构的三位增益图。由图8中的数据可以注意到回损在-10dB以下的带宽从54GHz到70GHz都符合，这代表此设计将有非常低的讯号损失，是个非常好的宽带设计。如图10所示，图10示出了采用多个贴片天线单元10的结构示意图。在图10中，通过功分器20将线路进行分支，形成树状结构。具体的，如图10所示，馈源30连接一个功分器20，该功分器20的输出端分成两支，每支分支在连接一个功分器20，功分器20的输出端再分支，依次类推直至到最后的分支连接天线贴片单元。在采用上述结构时，如图11和图12所示，图11示出了图10所示结构的回波耗损的仿真结果，图12示出了图10所示结构的三位增益图。可以注意到回损在-10dB以下的带宽从55GHz到70GHz都符合，这代表此设计将有非常低的讯号损失，是个非常好的宽带设计。
此外，本发明实施例还提供了一种通信设备，该通信设备包括上述的天线。
在上述具体技术方案中，通过使用4层基板2进行制作，第一层铜片与第二层铜片均放置天线贴片单元，第三层作接地面并从中开了耦合缝隙32，作为第四层结合集成电路及焊盘和馈线馈入用，利用第三层的耦合缝隙32，可将57-66GHz全频段的高频信号很有效的馈入到上两层的天线作辐射，并且减少了寄生影响，同时层叠结构增加了天线有效面积，实现的低的寄生参数以及高的有效面积为天线带来了高带宽高增益的性能效果。且在制作时，无需额外的制程，只需使原始的印刷电路基板2的制程程序。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种贴片天线单元，其特征在于，包括：第一支撑层，与所述第一支撑层层叠设置的基板，设置在所述基板背离所述第一支撑层一面的第二支撑层，设置在所述第二支撑层背离所述基板一面的集成电路，其中，
所述第一支撑层上背离所述基板的一面贴附有第一辐射贴片；
所述基板上背离所述第二支撑层的一面贴附有第二辐射贴片，且所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片中心对称；
所述第二支撑层朝向所述基板的一面设置有第一接地层，所述第一接地层上设置有耦合缝隙，所述第二支撑层背离所述基板的一面设置有通过所述耦合缝隙与所述第一辐射贴片和第二辐射贴片耦合连接的馈线；
所述集成电路分别与所述第一接地层及馈线电连接；
所述的贴片天线单元还包括：设置在所述第一支撑层且与所述第一辐射贴片同层设置的第二接地层，所述第二接地层与所述第一辐射贴片之间具有第一间隙；且所述第二接地层与所述第一接地层电连接；
设置在所述基板上且与所述第二辐射贴片同层设置的第三接地层，所述第三接地层与所述第二辐射贴片之间具有第二间隙，且所述第三接地层与所述第一接地层导电连接；
其中，所述第一间隙和所述第二间隙的宽度均大于等于所述贴片天线单元最大工作频率波长的十分之一波长。
2.如权利要求1所述的贴片天线单元，其特征在于，还包括设置在所述第二支撑层上且与所述馈线同层设置的第四接地层，所述第四接地层与所述馈线之间具有第三间隙，且所述第一接地层通过所述第四接地层与所述集成电路导电连接。
3.如权利要求2所述的贴片天线单元，其特征在于，所述集成电路分别通过锡球与所述第四接地层和馈线连接。
4.如权利要求1～3任一项所述的贴片天线单元，其特征在于，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片的面积比例介于0.9：1～1.2：1之间。
5.如权利要求1所述的贴片天线单元，其特征在于，所述耦合缝隙的长度L的取值介于所述贴片天线单元最大功率频率对应的电波长的三分之一至五分之一之间，所述耦合缝隙的最大宽度为L的0.75～1倍，所述耦合缝隙最小宽度为L的0.2～0.3倍。
6.如权利要求5所述的贴片天线单元，其特征在于，所述耦合缝隙包括两个平行的第一缝隙以及设置在所述两个第一缝隙之间并将所述两个第一缝隙连通的第二缝隙，且所述第一缝隙的长度方向垂直于所述第二缝隙的长度方向，所述馈线为矩形的铜片，所述馈线的长度方向垂直于所述第二缝隙的长度方向，且所述馈线在所述耦合缝隙所在平面上的垂直投影与所述第二缝隙交叉。
7.一种天线，其特征在于，包括馈源，与所述馈源电连通的功率分配网络，所述功率分配网络包括多个如权利要求1～6任一项所述的贴片天线单元。
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