基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，用于解决现有封装天线工作频段数量不足的技术问题；在上层介质基板的上表面印制有上层辐射单元，中层介质基板的上表面印制有中层辐射单元，下层介质基板的上表面印制有下层辐射单元，其下表面印制有内部接地板，该三层介质基板和三层辐射单元的尺寸自上而下依次递增并形成层叠结构，其下方设置有封装体，该封装体中心位置的空腔内设置有多芯片组件，其下方设置有外部接地板；三层介质基板和封装体上均设置有金属化通孔，形成同轴馈线并对上层辐射单元直接馈电。本发明的频率独立可调性好，可用于三个频段的无线通信。
【专利说明】
基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线
技术领域
[0001] 本发明属于微波毫米波通信技术领域，涉及多芯片组件封装技术和微带天线技 术，具体涉及一种基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，可用于IEEE 802.11和IEEE 802.16无线协议下在2.4GHz频段、3.5GHz频段和5.8GHz频段的无线通信。
【背景技术】
[0002] 随着现代无线通信系统在世界范围内的迅速发展，无线通信业务的多元化促使工 作于不同频段通信系统的出现。特别是WLAN无线局域网技术和WiMAX全球微波互连接入技 术的快速发展，正逐步取代旧式的同轴电缆和双绞线所构成的计算机局域网络。从而可以 使用户做到信息随身化，并且在不受时间和地理位置的影响下，充分地享用网络资源。
[0003] 封装天线适合于实现介质天线的小型化，通过在天线系统中集成封装腔体，采用 系统级封装技术集成多功能芯片组件及常用元器件，实现射频收发等多种功能。叠层微带 天线技术因为其在集成多层结构方面的灵活性，且与封装天线制作工艺有着很强的兼容 性，为封装天线技术的实现提供了很大的方便。
[0004] 多频段天线由于可以同时覆盖多个通信频段，从而可以有效地减少系统所占体 积，并能降低整个系统的制造成本，因此产生了对多频段天线的极大需求。同时为了避免在 一个系统中存在多个工作在不同频段的天线之间的相互耦合和干扰的影响，设计单个可以 同时覆盖多个无线通信系统频段的高性能天线已经成为近来国内外学者研究的热点课题。
[0005] 通信天线实现多频段工作的方式主要有：
[0006] 1、采用多枝节的设计方法；
[0007] 2、采用多层贴片堆叠技术；
[0008] 3、利用缝隙耦合技术；
[0009] 4、采用宽带陷波的方法。
[0010] 目前最常采用多枝节的设计方法和多层贴片堆叠技术来实现多频段，但多枝节的 设计方法设计的多频段天线因为体积较大，限制了其应用范围。而多层贴片堆叠技术设计 的天线通过在多层介质基板表面印制不同尺寸的辐射单元，在最下方设置接地板而形成层 叠结构，并利用同轴馈线对辐射单元进行馈电，可以实现多个频段工作，而且所设计的天线 体积较小，更有利于芯片的系统级封装。但是在满足小型化天线的前提下，由于多层贴片堆 叠技术引起各辐射单元电磁耦合的复杂问题，目前更多使用双层辐射单元堆叠用以实现双 频段通信。
[0011] 例如，中国专利申请，授权公告号为CN 103066385B，名称为"用于系统级封装的 LTCC双层微带天线"的发明专利，公开了一种双层封装天线，包括天线覆盖层、上层矩形辐 射单元、中间夹层、下层矩形辐射单元、天线衬底层、内部接地板、封装体和外部接地板，其 采用同轴馈线对下层矩形福射单元直接馈电，对上层矩形福射单元进行电磁親合馈电的方 式，使双层辐射单元可以在两个频率范围工作，但是由于这两个频率范围相互邻近，不能实 现其他频段上的无线通信协议，从而在很大程度上限制了其使用范围。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于阶梯型层叠结 构的多频段封装天线，各层辐射单元相对独立工作于不同频率范围，用于解决现有封装天 线工作频段数量不足的技术问题。
[0013] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0014] -种基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，包括辐射单元、介质基板、内部接地 板、外部接地板、封装体和同轴馈线;福射单元包括上层福射单元1、中层福射单元3和下层 福射单元5，介质基板包括上层介质基板2、中层介质基板4和下层介质基板6;上层介质基板 2的上表面印制有上层辐射单元1，中层介质基板4的上表面印制带有第一开孔31的中层辐 射单元3,下层介质基板6的上表面印制带有第二开孔51的下层福射单元5,其下表面印制带 有第三开孔71的内部接地板7,该三层介质基板2,4,6形成自上而下依次排列的层叠结构； 在层叠结构下方设置有封装体8,该封装体8的中心位置设置有空腔，空腔四周设置有多个 第五金属化通孔82;空腔内设置有多芯片组件10,该多芯片组件10的下方设置带有第四开 孔91的外部接地板9;上层介质基板2上设有第一金属化通孔21，中层介质基板4上设有第二 金属化通孔41，下层介质基板6上设有第三金属化通孔61，封装体8上设有第四金属化通孔 81，该四个金属化通孔21，41，61，81依次相连成同轴馈线，该同轴馈线穿过外部接地板9、内 部接地板7、下层福射单元5和中层福射单元3,对上层福射单元1直接馈电。
[0015]上述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，第一金属化通孔21、第二金属化 通孔41、第三金属化通孔61、第四金属化通孔81、第一开孔31、第二开孔51、第三开孔71和第 四开孔91的中心点纵向对齐。
[0016] 上述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，第一金属化通孔21、第二金属化 通孔41、第三金属化通孔61和第四金属化通孔81的半径相同；第一开孔31和第二开孔51的 半径相同；第三开孔71和第四开孔91的半径相同。
[0017] 上述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，上层介质基板2、中层介质基板4、 下层介质基板6和封装体8均采用横截面为矩形的板材，上层辐射单元1、中层辐射单元3、下 层辐射单元5和内部接地板7均采用矩形金属贴片，且上层介质基板2和中层辐射单元3的边 长相同，中层介质基板4和下层辐射单元5的边长相同，下层介质基板6和内部接地板7的边 长相同。
[0018] 上述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，上层辐射单元1、中层辐射单元3 和下层辐射单元5，该三个辐射单元1，3，5的长度和宽度依次递增，其具体尺寸通过如下公 式计算：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中，L表示辐射单元的长度，W表示辐射单元的宽度，εθ表示有效介电常数，c表示 真空中的光速，fo表示福射单元工作的中心频率，e r表示介质的相对介电常数，h表示介质基 板的厚度。
[0023] 上述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，同轴馈线的中心轴线相对于上层 福射单元1、中层福射单元3和下层福射单元5在同一方向顶点的相对横向坐标，通过如下公 式计算-
[0024]
[0025]
[0026] 其中，(Xf，Yf)表示辐射单元对应同轴馈线的中心轴线的相对坐标。
[0027] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0028] 1、本发明采用了垂直堆叠的三层金属贴片作为辐射单元，且形状均为矩形的上层 福射单元、中层福射单元和下层福射单元的长度和宽度依次递增，使得福射单元能够在不 同频率工作，还通过采用阶梯型层叠式介质基板，使得封装天线在整体结构不变的情况下 仍能在各个频段内正常工作，与现有技术中采用的单一尺寸的介质基板和双层矩形辐射单 元在同一频段耦合的方式相比，更有利于辐射单元周围的辐射缝隙向外辐射电磁能量，而 使得封装天线能同时在三个频段进行无线通信。
[0029] 2、本发明采用了同轴馈线直接对顶层辐射单元馈电的方式，且在上一层辐射单元 向外辐射电磁能量时，下一层辐射单元成为其等效接地板，使得封装天线的各层辐射单元 在一定程度上保持相对独立性，与现有技术中采用的同轴馈线直接对底层辐射单元馈电的 方式相比，有效地避免了不同层辐射单元之间的相互影响，增强了其频率的独立可调性。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的整体结构展开示意图；
[0031] 图2是本发明的三个辐射单元的结构示意图；
[0032]图3是本发明的三个介质基板的结构示意图；
[0033] 图4是本发明的整体结构的俯视图；
[0034] 图5是本发明内部接地板和外部接地板的结构示意图；
[0035] 图6是本发明封装体和多芯片组件的结构示意图；
[0036] 图7是本发明的中心频率与反射损耗Sn的仿真图；
[0037] 图8是本发明在三个频段的E面和Η面的增益方向图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一部描述。
[0039] 参照图1，本发明包括，上层辐射单元1、上层介质基板2、中层辐射单元3、中层介质 基板4、下层辐射单元5、下层介质基板6、内部接地板7、封装体8、外部接地板9、多芯片组件 10;在厚度为HI = 2.418mm的上层介质基板2上设有第一金属化通孔21，并在其上表面印制 有上层辐射单元1，在厚度为H2 = 2.232mm的中层介质基板4上设有第二金属化通孔41，并在 其上表面印制带有第一开孔31的中层福射单元3，在厚度为H3 = 2.046mm的下层介质基板6 上设有第三金属化通孔61，并在其上表面印制带有第二开孔51的下层辐射单元5,在其下表 面印制带有第三开孔71的内部接地板7,在厚度为H4 = 0.93mm的封装体8上设有第四金属化 通孔81，并在其中心位置设置有空腔，在空腔四周设置有多个第五金属化通孔82，在空腔内 设置有多芯片组件10,多芯片组件10下方设置带有第四开孔91的外部接地板9。上层介质基 板2上的第一金属化通孔21、中层介质基板4上的第二金属化通孔41、下层介质基板6上的第 三金属化通孔61和封装体8上的第四金属化通孔81依次相连成同轴馈线，并穿过外部接地 板9、内部接地板7、下层辐射单元5和中层辐射单元3,将上层辐射单元1与外部信号相接。
[0040] 参照图2,上层辐射单元1和中层辐射单元3和下层辐射单元5均采用矩形金属贴 片，上层福射单元1宽度的W1 = 13.92mm、长度LI = 9.55mm，中层福射单元3的宽度W2 = 24.04mm、长度L2 = 15.81mm，下层福射单元5的宽度W3 = 31.74mm、长度L3 = 23.38mm;第一开 孔31和第二开孔51的半径为0.6mm。
[0041] 参照图3,上层介质基板2、中层介质基板4、下层介质基板6均采用横截面为矩形的 板材，上层介质基板2的宽度W2 = 24.04mm、长度L2 = 15.81mm，中层介质基板4的宽度W3 = 31.74mm、长度L3 = 23.38mm，下层介质基板6的长宽为Lg = 38mm;第一金属化通孔21、第二金 属化通孔41和第三金属化通孔61的半径为0.45mm。
[0042] 参照图4,同轴馈线的中心轴线与上层辐射单元1的最近边界与次最近边界的距离 分别为Xfl = 2.535mm和Yfl = 6.96mm，与中层福射单元3的最近边界与次最近边界的距离分 别为Xf 2 = 4.355mm和Yf 2 = 12.02mm，与下层福射单元5的最近边界与次最近边界的距离分 别为 Xf 3 = 6 · 17mm 和 Yf 3 = 15 · 87mm 〇
[0043] 参照图5,内部接地板7和外部接地板9的长宽均为Lg = 38mm，内部接地板7上第三 开孔71的半径为1.5mm，其与内部接地板7的最近边界与次最近边界的距离分别为L7 = 13.48mm和L8 = 19mm;外部接地板9上第四开孔91的半径为1.5mm，其与外部接地板9的最近 边界与次最近边界的距离分别为L7 = 13.48mm和L8 = 19mm。
[0044] 参照图6,封装体8的长宽均为Lp = 20mm，其中心位置设置的空腔长宽为Lc = 8mm， 在空腔内设置有多芯片组件10,在封装体8上第四金属化通孔81的半径为0.6mm，还设置有 按准正方形分布的多个垂直等距离排列的第五金属化通孔82,半径为0.15mm，孔间距 0.736mm〇
[0045] 上层福射单元1、中层福射单元3、下层福射单元5、内部接地板7和外部接地板9均 采用银质金属薄膜印制;上层介质基板2、中层介质基板4、下层介质基板6和封装体8均采用 介电常数为5.9，介质损耗正切为0.2%，单层厚度为0.093mm的Ferro A6M低温共烧陶瓷材 料制成；第一金属化通孔21、第二金属化通孔41、第三金属化通孔61、第四金属化通孔81和 第五金属化通孔82均通过在孔内灌装银质金属材料行成。
[0046] 本发明效果可以通过以下仿真进一步说明：
[0047] 1、仿真内容
[0048] 采用三维全波电磁场仿真软件HFSS_15.0对本发明的反射系数Sn和辐射方向进行 仿真，其结果如图7和图8所示。
[0049] 2、仿真结果
[0050] 参照图7，三层微带天线的谐振点分别为2.445GHz、3.505GHz和5.770GHz，其反射 系数分别为-32 · 79dB、-16 · 39dB和-20 · 09dB，在2 · 41GHZ-2 · 48GHz、3 · 47HGZ-3 · 55GHz和 5.66GHZ-5.89GHz频率范围内的反射系数均小于-10dB。仿真结果说明了，所发明的基于阶 梯型层叠结构的多频段封装天线可以同时在2.4GHz频段、3.5GHz频段和5.8GHz频段工作。 [0051]参照图8,三层微带天线在各个频段工作时，E面与Η面辐射方向上的最大增益分别 为4.91dBi、6.05dBi和6.07dBi。仿真结果说明了，所发明的基于阶梯型层叠结构的多频段 封装天线在2.4GHz频段、3.5GHz频段和5.8GHz频段均具有较大的增益。
[0052]由此可见，本发明使用了三层辐射单元垂直组合和阶梯型层叠式介质基板的结构 解决了封装天线在无线通信协议中频段数量不足的问题。
[0053]以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。应当理解的 是，对本领域专业技术人员来说，在了解本
【发明内容】
和原理后，都可能在不背离本发明原 理、结构的情况下，根据上述说明对形式、细节和参数等加以改进或变换，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。
【主权项】
1. 一种基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，包括辐射单元、介质基板、内部接地 板、外部接地板、封装体和同轴馈线;其特征在于，所述福射单元包括上层福射单元（1)、中 层辐射单元（3)和下层辐射单元(5)，所述介质基板包括上层介质基板(2)、中层介质基板 (4)和下层介质基板(6);所述上层介质基板(2)的上表面印制有上层辐射单元（1)，所述中 层介质基板(4)的上表面印制带有第一开孔(31)的中层辐射单元(3)，所述下层介质基板 (6)的上表面印制带有第二开孔(51)的下层辐射单元(5)，其下表面印制带有第三开孔(71) 的内部接地板(7)，该三层介质基板(2,4,6)形成自上而下依次排列的层叠结构;在层叠结 构下方设置有封装体(8)，该封装体(8)的中心位置设置有空腔，空腔四周设置有多个第五 金属化通孔(82);所述空腔内设置有多芯片组件（10)，该多芯片组件（10)的下方设置带有 第四开孔(91)的外部接地板(9);所述上层介质基板(2)上设有第一金属化通孔(21)，所述 中层介质基板(4)上设有第二金属化通孔(41)，所述下层介质基板(6)上设有第三金属化通 孔(61)，所述封装体(8)上设有第四金属化通孔(81)，该四个金属化通孔(21，41，61，81)依 次相连成同轴馈线，该同轴馈线穿过外部接地板(9)、内部接地板(7)、下层福射单元(5)和 中层福射单元(3 )，对上层福射单元(1)直接馈电。2. 根据权利要求1所述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，其特征在于，所述第 一金属化通孔(21)、第二金属化通孔(41)、第三金属化通孔(61)、第四金属化通孔(81)、第 一开孔(31)、第二开孔(51)、第三开孔(71)和第四开孔(91)的中心点纵向对齐。3. 根据权利要求1所述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，其特征在于，所述第 一金属化通孔(21)、第二金属化通孔(41)、第三金属化通孔(61)和第四金属化通孔(81)的 半径相同；第一开孔(31)和第二开孔(51)的半径相同；第三开孔(71)和第四开孔(91)的半 径相同。4. 根据权利要求1所述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，其特征在于，所述上 层介质基板(2)、中层介质基板(4)、下层介质基板(6)和封装体(8)均采用横截面为矩形的 板材，所述上层辐射单元（1)、中层辐射单元(3)、下层辐射单元(5)和内部接地板(7)均采用 矩形金属贴片，且上层介质基板(2)和中层辐射单元(3)的边长相同，中层介质基板(4)和下 层辐射单元(5)的边长相同，下层介质基板(6)和内部接地板(7)的边长相同。5. 根据权利要求1所述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，其特征在于，所述上 层辐射单元（1)、中层辐射单元(3)和下层辐射单元(5)，该三个辐射单元（1，3,5)的长度和 宽度依次递增，其具体尺寸通过如下公式计算：其中，L表示辐射单元的长度，W表示辐射单元的宽度，^表示有效介电常数，c表示真空 中的光速，fQ表示福射单元工作的中心频率，表示介质的相对介电常数，h表示介质基板的 厚度。6.根据权利要求1所述的基于阶梯型层叠结构的多频段封装天线，其特征在于，所述同 轴馈线的中心轴线相对于上层辐射单元（1)、中层辐射单元(3)和下层辐射单元(5)在同一 方向顶点的相对横向坐标，通过如下公式计算：其中，（Xf ,Yf)表示福射单元对应同轴馈线的中心轴线的相对坐标。
【文档编号】H01Q1/38GK105932419SQ201610512823
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】董刚, 聂晖, 余森, 杨银堂
【申请人】西安电子科技大学