本发明涉及封装技术领域，尤其涉及一种集成天线封装结构及具有集成天线封装结构的终端。
背景技术
随着5g和vr等高速率通信时代的来临，毫米波天线的应用及设计也越来越多了，因为毫米波频段的波长极小，对加工误差的敏感度非常高，倘若制造精度不佳，频率对应不上，传统的pcb加工工艺已经无法满足毫米波加工精度要求，因此要用到高精密度的工艺来制作设计毫米波天线也就孕育而生，即：aip(antennainpackage，封装天线集成技术)。
目前业界aip天线有使用silicon，ceramic，btsubstrate，及其它板材的研究，不论采取何种方式，要得到可靠的天线性能，就必须在天线原型开发和加工制造两个阶段花费大力气。
非常有必要开发一种高带宽，高增益天线原型来对抗材料误差(dk/df/cte等)和加工误差对电性能影响，这样做可以在不采用昂贵封装材料和加工工艺的前提下得到可靠的天线性能。
技术实现要素：
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种集成天线封装结构，实现了低成本、高带宽、高增益的天线设计。
第一方面，本发明实施例提供了集成天线封装结构，包括第一基板和第二基板，第一基板设有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面设有第一贴片天线；第二基板连接至所述第一基板的所述第二表面的一侧，所述第二基板设有相对设置的第三表面和第四表面，所述第三表面设有第二贴片天线，所述第二贴片天线在所述第一表面上的投影与所述第一贴片天线至少部分重合，所述第一基板和所述第二基板之间设有空腔，所述第二贴片天线与所述第二表面之间通过所述空腔隔开，所述第四表面设有射频元件，所述射频元件通过所述第一贴片天线和所述第二贴片天线收发射频信号。
本发明实施例通过在第一基板和第二基板之间设置空腔，通过空腔在第一贴片天线和第二贴片天线之间形成间隔，通过两个较少层数的基板相互贴合，基板层数可以做到较少，是因为本申请利用空腔代替了多层介质板，这样形成的集成天线封装结构，能够缩短加工周期，不需要更专业的加工能力，降低制作成本，而且本发明实施例利用空腔中的介质为空气，介电常数低，能够实现毫米波天线高带宽高增益的效果，相较多层板制作过程中的加工误差及链路损耗，本申请具有提升天线收发性能的优势。
一种实施方式中，所述第一表面还设有铜层，所述铜层与所述第一贴片天线绝缘。铜层的设置使得第一表面铺铜率与第一基板其它层的铺铜率差异减少，在第一基板制造的过程中，铺铜率差异减少能够减少气泡的产生，从而提升第一基板制造良率。
铜层可以为单纯的用于平衡第一表面的铺铜率，不连接至任何的信号层或地层。另一实施方式中，铜层可以接地，具体而言，所述第二基板设有接地层，所述铜层电连接至所述接地层。
一种实施方式中，所述第一基板设有设置在所述第二表面上的第三贴片天线，所述第三贴片天线位于所述第一贴片天线和所述第二贴片天线之间。第三贴片天线的设置能够提升天线的带宽。
一种实施方式中，所述第二贴片天线和所述第三贴片天线之间的垂直距离小于所述第一贴片天线和所述第二贴片天线之间的垂直距离。
一种实施方式中，所述第一贴片天线和所述第二贴片天线之间的距离越大，天线的带宽越宽。
一种实施方式中，所述第一基板的层数为至少两层，所述第二基板的层数为至少四层。
一种实施方式中，所述第一基板和所述第二基板之间通过连接件相连接，所述连接件与所述第二表面和所述第三表面共同包围形成所述空腔。
一种实施方式中，所述第一基板之面对所述第二基板的一侧设有凹槽，所述第二表面为所述凹槽的底壁，所述第三表面连接在所述凹槽的开口位置，所述凹槽形成所述空腔。
一种实施方式中，所述第二基板之面对所述第一基板的一侧设有凹槽，所述第三表面为所述凹槽的底壁，所述第二表面连接在所述凹槽的开口位置，所述凹槽形成所述空腔。
一种实施方式中，所述第二贴片天线设有一个馈入点，用于将所述射频元件的信号馈入至所述第二贴片天线，以构成单极化天线。
一种实施方式中，所述第二贴片天线设有两个馈入点，用于将所述射频元件的信号馈入至所述第二贴片天线，以构成双极化天线。
第二方面，本发明实施例提供了终端，所述终端包括电路板及前述集成天线封装结构，所述集成天线封装结构设置在所述电路板上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1是本发明实施例提供的具有集成天线封装结构的终端的示意图；
图2是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构的剖面图；
图3是本发明另一实施例提供的集成天线封装结构的剖面图；
图4是本发明再一实施例提供的集成天线封装结构的剖面图；
图5是本发明再一实施例提供的集成天线封装结构的剖面图；
图6是本发明再一实施例提供的集成天线封装结构的剖面图；
图7是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构的连接件的示意图；
图8是本发明另一实施例提供的集成天线封装结构的连接件的示意图；
图9是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构的第一基板和第二基板形成空腔架构的示意图；
图10是本发明另一种实施例提供的集成天线封装结构的第一基板和第二基板形成空腔架构的示意图；
图11是本发明再一种实施例提供的集成天线封装结构的第一基板和第二基板形成空腔架构的示意图；
图12是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为单极化天线架构的剖面图；
图13是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为单极化天线架构的立体透视图；
图14是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为单极化天线架构的端口s参数曲线图；
图15是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为单极化天线架构的3d辐射方向图；
图16是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为单极化天线架构的辐射场曲线图；
图17是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为双极化天线架构的立体透视图；
图18是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为双极化天线架构的两个端口s参数曲线图；
图19是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为双极化天线架构的辐射场曲线图；
图20是本发明一种实施例提供的集成天线封装结构为双极化天线架构的实现圆极化效果图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
请参阅图1，本发明实施例提供的终端100内设电路板200，本发明实施例提供的集成天线封装结构10设置在电路板200上，集成天线封装结构10与电路板200上的控制电路201电连接。具体而言，终端100可以为手机、平板电脑、路由器等产品。图1所示的终端100(以手机为例)包括显示区101，电路板200设置在非显示区，电路板200与终端100内的主板电连接。集成天线封装结构10与电路板200上的控制电路201通过电路板200内的走线电连接。
本发明实施例提供的集成天线封装结构10能够实现毫米波天线高带宽高增益效果，降低封装结构成本。
请参阅图2，图2所示为本发明一种实施例提供的集成天线封装结构10的剖面图。集成天线封装结构10包括第一基板12和第二基板14。第一基板12设有相对设置的第一表面121和第二表面122。第二基板14设有相对设置的第三表面141和第四表面142。第二基板14连接至所述第一基板12的所述第二表面122的一侧，第一基板12和第二基板14形成层叠结构。
本实施方式中，第一基板12为两层基板架构，即第一表面121和第二表面122之间只有介质层。第二基板14为四层基板架构，第三表面141和第四表面142之间还设有两层导体层，导体层可以用于排布信号线、接地线，电源线等。
所述第一表面121设有第一贴片天线11。第一贴片天线11为金属层，作为天线辐射体，用于辐射收发信号。本种实施方式中，第一贴片天线11设于所述第一基板12的最外层。其它实施方式中，第一表面121也可以为第一基板12的中间层。例如：第一表面121的上面还可以设置保护层，保护层为绝缘层；或者，第一表面121的上面还可以设置辐射层，辐射层设有金属片，用于与第一贴片天线11耦合，增强信号的辐射效果和带宽。
所述第三表面141设有第二贴片天线13。第二贴片天线13为金属层，作为天线辐射体，用于辐射收发信号。所述第二贴片天线13在所述第一表面121上的投影与所述第一贴片天线11至少部分重合，具体而言，一种实施方式中，第一贴片天线11与第二贴片天线13可以为相同的形状的贴片，二者完全重合；另一实施方式中，第一贴片天线11与第二贴片天线13也可以为不同的形状，二者相互平行，且二者的几何中心在垂直于第一贴片天线11的方向上对齐；其它实施方式中，第一贴片天线11与第二贴片天线13也可以形状相同，但只有部分重合，形成错位的设置。
所述第四表面142设有射频元件16，所述射频元件16通过所述第一贴片天线11和所述第二贴片天线13收发射频信号。射频元件16为硅片，设有集成电路，用于提供有源激励，为第一贴片天线11和第二贴片天线13提供馈电，射频元件16包括多个引脚，射频元件16可以以硅片为基材，引脚可以为设置在硅片表面的焊盘，多个引脚包括接地引脚、供电引脚、输出/输出引脚、信号控制引脚等。射频元件16通过引脚与第二基板14电连接。具体而言，一种实施方式中，射频元件16通过馈线与贯孔结合的方式与第二贴片天线13电连接，如图2所示，第二基板14为四层板，靠近第四表面142的中间层设有馈线143，馈线143与第四表面142上的焊盘162通过贯孔电连接，馈线143与第三表面141上的第二贴片天线13通过贯孔电连接。图2所示的实施例中，集成天线封装结构10为双极化天线，第二贴片天线13附近设有两个馈入点131、132(即馈电端口)，这两个馈入点131、132分别通过贯孔电连接至馈线143，馈线143再通过贯孔电连接至射频元件16的引脚。
所述第一基板12和所述第二基板14之间设有空腔18，所述第二贴片天线13与所述第二表面122之间通过所述空腔18隔开，空腔18的设置使得第二表面122和第二贴片天线13之间形成空气层，空气的有效介电常数为1，相较其它的基板材料(介电常数通常在3.0以上)，空气层的介电常数是最低的，天线的工作带宽跟有效介电常数成反比，介电常数越低，带宽越宽，介电常数越高，带宽越窄。在其他的实施例中，空腔18中也可填充其他介电常数在1左右的气体。
本申请在保证集成天线封装结构10的天线带宽的基础上，能够缩小封装结构的尺寸，若在第一基板12和第二基板14之间通过基板材质的填充来保证第一贴片天线11和第二贴片天线13之间的距离，由于基板材料的介电常数大于空气的介电常数，需要较大的间隔尺寸，制作过程中，需要通过制作多层基板的方式实现，无疑会增加制作成本。空腔18的设计，使得在垂直于第一基板12的方向上，空腔18的尺寸可以设计为较小的尺寸(小于前述填充的基板材料的尺寸)，即可满足天线带宽的需求，这样就不需要制作多层基板，可以降低制作成本。
也就是说，本申请实施例通过空腔18在第一贴片天线11和第二贴片天线13之间形成间隔，通过两个较少层数的基板(即第一基板12和第二基板14)相互贴合，由于空腔18代替了多层介质板，两个基板层数都可以做到较少，这样形成的集成天线封装结构10，能够缩短加工周期，不需要更专业的加工能力，降低制作成本。
而且本发明实施例利用空腔18中的介质为空气，介电常数低，能够实现毫米波天线高带宽高增益的效果，相较多层板制作过程中的加工误差及链路损耗，本申请具有提升天线收发性能的优势。
一种实施方式中，第一表面121还设有铜层1211，所述铜层1211与所述第一贴片天线11绝缘。铜层1211的设置使得第一表面121铺铜率与第一基板12其它层的铺铜率差异减少，在第一基板12制造的过程中，铺铜率差异减少能够减少气泡的产生，从而提升第一基板12制造良率。具体而言，铜层1211环绕第一贴片天线11设置。也就是说，在第一贴片天线11的周围铺设铜层1211，提升第一表面121的铺铜率。
相应地，第二基板14的第三表面141上亦设有铜层，第三表面141上的铜层与第二贴片天线13绝缘，第三表面141的铜层的设置原理与第一表面121铜层设置原理相同，能够减少第二基板14制造过程中气泡的产生，提升第二基板14的制造良率。
铜层1211可以为单纯的用于平衡第一表面121的铺铜率，不连接至任何的信号层或地层。另一实施方式中，铜层1211可以接地。具体而言，第二基板14设有接地层1411，接地层1411通过第二基板14内的引线电连接至射频元件16的接地引脚161。所述铜层1211电连接至所述接地层1411。铜层1211与接地层1411之间通过接地孔17电连接，接地孔17用于提供集成天线封装结构10整体信号回流和散热。一种实施方式中，接地接1411设于第二基板14的第四表面142上，射频元件16的接地引脚161位于射频元件16的所有的引脚最边缘的位置。其它实施方式中，接地层1411可以位于第二基板14的其它层，包括任何一个中间层或者第三表面。
第二基板14与电路板200之间通过焊球144连接。射频元件16位于第二基板14和电路板200之间。第二基板14的第四表面142上可以设置多个焊盘，焊盘用于与电路板200上的电路电连接，通过焊盘与电路板200之间的电连接，实现集成天线封装结构10与电路200之间的电流传输及信号传输。
请参阅图3，本种实施方式中，第一基板12设有设置在所述第二表面122上的第三贴片天线15，所述第三贴片天线15位于所述第一贴片天线11和所述第二贴片天线13之间。第三贴片天线15的设置能够提升天线的带宽。本实施方式中，第一表面121和第二表面122为第一基板12的两个层，二者之间可以无需设置中间层，第一贴片天线11和第二贴片天线13分别形成在第一表面121和第二表面122，由于第一表面121和第二表面122均为第一基板12的表层，制作方式简单易行。
所述第二贴片天线13和所述第三贴片天线15之间的垂直距离小于所述第一贴片天线11和所述第二贴片天线13之间的垂直距离。
一种实施方式中，第一贴片天线11为正方形，第一贴片天线11的边长为天线工作中心频率的半波长。第一贴片天线11和第二贴片天线13之间的距离越大，天线的带宽越宽。
一种实施方式中，第一贴片天线11、第二贴片天线13和第三贴片天线15形状相同，尺寸相同，且在垂直于第一基板12的方向上，三者完全重合，三个相同的贴片天线完全重合的设计，更加有利于集成天线封装结构10尺寸小型化，且能保证天线的带宽和增益性能。
本发明实施例提供的所述第一基板12的层数为至少两层，所述第二基板14的层数为至少四层。采用本发明实施例提供的集成天线封装结构，可以通过四层板与两层板的结合，且结合处设空腔18，即可形成集成天线封装结构10，且能够满足带宽和增益需求。若没有空腔18，需要通过基板介质层的填充满足第一贴片天线11和第二贴片天线13之间的隔离需求，这样就要制作更多层的基板(8层、10层、甚至12层)，四层板和两层板的制作流程相对8层、10层、甚至12层板的制作流程，具有制作简单，成本低的优势。
请参阅图4，本实施例中，第一基板12为两层基板，第二基板14为六层基板。
如图2至图4所示，一种实施方式中，所述第一基板12和所述第二基板14之间通过连接件19相连接，所述连接件19与所述第二表面122和所述第三表面141共同包围形成所述空腔18。连接件19可以为胶体结构、焊球、固定支架等。本实施方式中，第一基板12的第二表面122和第二基板14的第三表面141均呈平面状，连接件19的两端分别连接至第二表面122和第三表面141。
如图7所示，连接件19可以为连续的框体结构，例如胶框或一体式支架，连接件19包围的空间形成所述空腔18，图7所示的实施例连接件19为方形的框体结构，其它实施例中，连接件19也可以为圆形或多边形的框体结构。
如图8所示，连接件19也可以为多个相互间隔分布在空腔18周围的支撑结构，例如多个焊球或多个固定柱。本实施方式通过连接件19在第一基板12和第二基板14之间支撑起一个空间，形成空腔18。图8所示的实施例中，单个连接件19截面为圆形，可以为圆柱结构或者球状结构，其它实施例中，单个连接件19截面也可以方形、三角形或多边形。图8所示的实施例中，连接件19分内外两圈的两层排布，内圈的连接件19内部包围的空间为空腔18。
如图9、图10和图11所示，空腔18通过在第一基板12和/或第二基板14上挖槽来实现，第一基板12和第二基板14之间固定连接，例如通过胶贴合固定，或者焊盘焊接固定，固定连接结构不足以在第一基板12和第二基板14之间支撑起一个空间，无法形成空腔18，只是为了实现固定连接。具体的挖槽方式，通过下述三种实施方式分别描述。
第一种实施方式中，如图9所示，所述第一基板12之面对所述第二基板14的一侧设有凹槽，所述第二表面122为所述凹槽的底壁，所述第三表面141连接在所述凹槽的开口位置，所述凹槽形成所述空腔18。
第二种实施方式中，如图10所示，所述第二基板14之面对所述第一基板12的一侧设有凹槽，所述第三表面141为所述凹槽的底壁，所述第二表面122连接在所述凹槽的开口位置，所述凹槽形成所述空腔18。
第二种实施方式中，如图11所示，同时在第一基板12和第二基板14上挖槽，即在第一基板12之面对第二基板14的一侧设第一凹槽，在第二基板14面对第一基板12的一侧设第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的尺寸相同，将第一基板12和第二基板14相互贴合，使得第一凹槽和第二凹槽相互拼接共同形成所述空腔18。本实施方式中，第二表面122为第一凹槽的底壁，第三表面141为第二凹槽的底壁。
综上所述，第二表面122和第三表面141之间的垂直距离为连接件19的高度或者空腔18的厚度。连接件19的高度为连接件19在第一基板12和第二基板13之间的垂直方向上的尺寸。在上述通过挖槽实现空腔18的实施方式中，空腔18的厚度为空腔18在第一基板12和第二基板13之间的垂直方向上的尺寸。第二表面122和第三表面141之间的垂直距离根据不同的天线频段配置不同，针对天线频段在60ghz的情况下，第二表面122和第三表面141之间的垂直距离为30um～100um。针对天线频段在39ghz的情况下，第二表面122和第三表面141之间的垂直距离为65um～150um。针对天线频段在28ghz的情况下，第二表面122和第三表面141之间的垂直距离为100um～400um。
如图12所示和图13，所示为单极化天线的架构。所述第二贴片天线13设有一个馈入点131，用于将所述射频元件16的信号馈入至所述第二贴片天线13，以构成单极化天线。单极化天线结构设计中所使用的第一基板12和第二基板14的层数均可实现较少的层数，一种实施方式中，第一基板12为两层板，厚度为250um，第二基板14为六层板，厚度为430um，两个基板之间的连接件19的高度为50um，集成天线封装结构10的总厚度为730um。
如图14、图15和图16所示，本申请实施例提供的单极化天线的集成天线封装结构10具有高带宽到高增益的效果。图14中s11显示的带宽达到了14.695ghz，高达24.5％的带宽百分比(以60ghz中心频率计算)。从图15所示的3d辐射方向图可以看出，天线的增益达到了7.726db。从图16所示，从e面和h面的辐射场型来看，两个面的场型非常对称，这对后续阵列集成帮助是非常大的。本实施例中，24.5％的带宽百分比和7.726dbi的增益实现了高带宽、高增益的效果。天线在wigig频段，，工作在57-66ghz，带宽百分比为15％，不带馈线损耗的单元增益一般要求4dbi左右，可见，本发明所取得的性能效果带来了非常大的工程裕量。同时两个少叠层数的基板加工周期非常短且工艺成熟(多家供应商可以提供加工)，同步加工后统一封装，加工周期和加工成本都可以大大降低。
请参阅图4和图17，所示为双极化天线的架构。所述第二贴片天线13设有两个馈入点131、132，用于将所述射频元件16的信号馈入至所述第二贴片天线13，以构成双极化天线。具体而言，第二贴片天线13呈方形，第二贴片天线13相邻的两条边均设有一个馈入点，形成两个激励口，即两个端口，两个端口同时工作，形成方向垂直的两个极化面。
如图18和图19所示，本申请实施例提供的双极化天线具有高带宽及高增益的效果。图18中s11显示的带宽达到了14.7ghz，高达24.5％的带宽百分比(以60ghz中心频率计算)。从图19中可以看出，在水平极化和垂直极化两个极化方向上，集成天线封装结构10都表现出了高达7.75dbi左右的增益，从各自极化方向的e面和h面的辐射场型来看，两个面的场型非常对称，这同样大大有助于后续大阵列集成设计。
此外，通过图20可以看出对两个馈电口的幅度相位控制，可以轻松实现左旋圆极化，右旋圆极化，左旋椭圆极化，右旋椭圆极化应用。
综上所述，24.5％的带宽百分比，7.75dbi的增益，实现了高带宽高增益的效果，带来了非常丰富的应用形态。同样，在wigig频段，本发明实施例所取得的性能效果带来了非常大的工程裕量，基板加工周期和工艺成熟度方面表现都同样很出色，加工周期和加工成本都可以大大降低。