一种天线及封装天线结构的制作方法

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种天线及封装天线结构。

背景技术

近些年来，随着移动通信的发展，无线通信系统对数据的传输速率的要求越来越高，因此需要通信系统可以提供越来越大的带宽以满足应用的需要。作为通信系统最前端的硬件设备，天线的宽带化是必不可少的，近些年提出非常多的宽带天线设计方法，如天线加载、非频变天线、行波天线、多模技术、宽频带的馈电网络等。对于毫米波频段的天线而言，考虑到这个频段的损耗问题，一般会采用aip(antennainpack)天线方案，即封装天线方案。目前的芯片封装工艺朝着小型化、高集成度方向快速发展，如果要在芯片封装天线，所设计的天线必须具备宽频带、高增益、低剖面等特点，而现有的天线结构都较难同时达到这些要求，其中包括利用ebg(electromagneticbandgap，电磁带隙)结构来作为天线的反射板或地来降低天线的剖面，例如微带天线的地为ebg结构时，微带天线的高度会降低，但微带天线的工作模式没有变化，还是基模tm10，另外由于抑制了表面波所以微带天线增益会有一点提升，但也比较有限。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种天线，包括天线辐射体、天线介质基板、接地金属板和馈电结构，所述天线辐射体、天线介质基板、接地金属板依次连接，所述天线辐射体包括若干金属片单元，所述相邻的金属片单元之间彼此缝隙耦合形成辐射间隙，所述接地金属板开有馈电缝隙，所述馈电结构为馈电缝隙提供馈电源，所述馈电缝隙与辐射间隙耦合馈电。相邻金属片单元之间形成的缝隙将产生电磁辐射，激发tm10和tm20两种模式，形成宽频带，并且在天线介质基板上加载周期性金属结构形成高阻面，其反射相位为0，可以显著的降低介质基板的高度，达到剖面极致低的效果，同时由于该天线尺寸相对比较大所以具有高增益的特性，接地金属板上馈电缝隙与相邻金属片单元之间的缝隙相对位置中心重合，调节馈电缝隙的长度和宽度，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。

进一步的，所述馈电结构包括馈电线，与所述馈电线垂直的辐射间隙为辐射缝隙，其他辐射间隙为非辐射缝隙，所述辐射缝隙至少有2条，所述非辐射缝隙至少有2条。辐射缝隙至少2条，非辐射缝隙至少2条较为容易同时激发tm10和tm20两种模式。

进一步的，所述金属片单元为三角形、四边形、六边形和圆形中的一种或多种。这里的三角形、四边形或六边形为广义的三角形、四边形或六边形，包括直边或曲边构成的三角形、四边形或六边形。

进一步的，所述金属片单元呈周期性排列。周期性排列结构有利于形成高阻面，进而降低天线剖面高度。

进一步的，所述馈电缝隙的形状根据辐射缝隙的形状设置，包括w形、圆形、环形、h形、条形或v形。馈电缝隙的形状根据辐射缝隙的形状设置，只要能够实现耦合馈电都行。

进一步的，所述金属片单元的中心设有金属通孔与接地金属板连接。辐射间隙以及金属通孔使每个金属片单元之间形成并联电容和串联电感，可在特定的频段产生宽频带特性

进一步的，所述金属片单元为金属贴片。金属贴片易加工，对设备要求较低，有利于生产制作。

进一步的，所述馈电结构包括微带耦合馈电结构、共面波导耦合馈电结构、带状线耦合馈电结构或介质集成波导耦合馈电结构。4种馈电方式，也可以用其他现有的馈电方式实现。

进一步的，所述微带耦合馈电结构还包括与接地金属板连接的馈电基板，所述馈电线为微带馈线，所述馈电基板的另一面设置微带馈线。微带耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，所述馈电缝隙与微带馈线交叉垂直设置。微带耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，所述微带馈线的末端的形状与天线的阻抗匹配。通过对微带馈线末端做一些简单的变形可以改善阻抗匹配，如微带馈线末端渐变为扇形结构，三角形结构等。

进一步的，所述馈电缝隙为条形缝隙，所述共面波导耦合馈电结构的馈电线为cpw馈线，所述cpw馈线为在接地金属板上开设两个cpw缝隙形成的，所述cpw缝隙的末端与馈电缝隙连接。共面波导耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，馈电缝隙与cpw馈线垂直设置。共面波导耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，所述接地金属板为第一接地金属板，所述介质集成波导耦合馈电结构还包括与第一接地金属板连接的馈电基板和与馈电基板连接的第二接地金属板，所述馈电线为siw馈线，所述siw馈线由两排导通第一接地金属板和第二接地金属板的第一siw过孔组成，所述馈电缝隙设置在两排第一siw过孔之间。介质集成波导耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，在siw馈线末端设有第二siw过孔。可通过调节第二siw过孔的位置来调节天线的阻抗匹配。

进一步的，所述馈电缝隙的形状为v形馈电缝隙。介质集成波导耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，所述馈电缝隙与siw馈线垂直或平行设置。介质集成波导耦合馈电方式具体在本发明中应用的一种结构。

进一步的，在天线辐射体的边缘设有周期性的锯齿结构。天线辐射体边缘的周期性锯齿结构可以改善天线的带宽。

进一步的，与所述馈电线垂直的方向为非辐射方向，天线辐射体在非辐射方向上的两个边缘设置有短路金属件，所述短路金属件一端延伸天线介质基板（2）上表面，另一端与接地金属板连接。所述短路金属件可以抑制表面波，进而优化天线的辐射性能。

本发明还提供一种封装天线结构，包括芯片裸片、主板、封装体和如上所述的天线，所述封装体、芯片裸片和主板从上往下依次设置，天线设置在封装体内。封装天线结构具体在本发明中应用的一种结构。

本发明针对传统天线剖面过高以及带宽过窄的问题，将ebg结构应用在天线辐射体上，具有低剖面，宽频带，高增益等特性非常适合毫米波频段的aip，适合于低成本的大规模生产，可广泛用于60ghzwifi系统和未来的5g毫米波通信系统中。以下为本发明的一些显而易见的特点和优点：

1.本发明的剖面很低，整个高度只有0.03×λ0。这使得其非常适合应用在毫米波频段寸土寸金的芯片封装天线中，适合于低成本的大规模生产，可广泛用于毫米波通信系统中。

2.本发明的天线阻抗带宽非常宽，传统微带天线在介质板厚度为0.03×λ0时，天线带宽只有1~2%左右，本发明的天线带宽可以达到34%以上，在应用于毫米波通信时可以覆盖目前各国政府在60ghz频率附近划分的连续的频谱资源。

3.本发明的天线辐射方向图为边射形boreside，适合安装于封装芯片的封装体上，天线不需要净空区域，只需要有一定的高度即可。

4.本发明的天线增益比较高，在应用于毫米波通信时，馈线损耗和空间传输损耗都非常大，所以对天线增益要求也比较高。本发明天线最大增益在10dbi以上，非常适合应用在毫米波通信中。

5.本发明的天线增益带宽非常宽，在整个阻抗带宽频带内天线增益都比较高。可以满足不同国家的频带的增益需求。

6.本本发明适合进行组阵成为阵列天线，非常适合应用于5g手机需要毫米波频段可实现波束赋形的天线整列，或毫米波频段的相控阵天线。该天线阵列由一组可独立发射信号的天线单元组成，利用波束赋形技术，通过调整每个天线单元的幅度和相位，来实现天线阵列的波束控制。

7.本发明结构简单、易加工，不需要采用一些很复杂的结构（如加载腔体、采用多层结构、采用非频变天线或行波天线等）来增加天线的带宽，可以通过aip封装工艺大规模的批量生产。

附图说明

图1为本发明天线实施例1-9的侧面示意图；

图2为本发明天线实施例1的正面示意图；

图3为本发明天线实施例1的背面示意图；

图4为本发明天线实施例2的正面示意图；

图5为本发明天线实施例3的正面示意图；

图6为本发明天线实施例4的正面示意图；

图7为本发明天线实施例4的背面示意图；

图8为本发明天线实施例5的正面示意图；

图9为本发明天线实施例6的正面示意图；

图10为本发明天线实施例7的正面示意图；

图11为本发明天线实施例8的正面示意图；

图12为本发明天线实施例8的背面示意图；

图13为本发明天线实施例9的正面示意图；

图14为本发明天线实施例10的侧面示意图；

图15为本发明天线实施例10的正面示意图；

图16为本发明天线实施例10的背面示意图；

图17为本发明天线实施例11的侧面示意图；

图18为本发明天线实施例11的正面示意图一；

图19为本发明天线实施例11的背面示意图；

图20为本发明天线实施例11的正面示意图二；

图21为本发明封装天线结构一实施例的示意图；

图22为本发明天线实施例8的另一正面示意图。

其中，天线辐射体为1，金属片单元为a1,辐射缝隙为b1，非辐射缝隙为c1，金属通孔为d1，锯齿结构为e1，天线介质基板为2，接地金属板为3，馈电缝隙为a3，cpw缝隙为b3，馈电基板为4，馈电线为5，第一接地金属板为6，第二接地金属板为7，第一siw过孔为8，第二siw过孔为9，芯片裸片为10，主板为11，覆盖层为12，第一介质层为13，第一半固化层为14，第二介质层为15，第二半固化层为16，第三介质层为17，短路金属件为18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

本发明涉及一种低剖面、宽频带、高增益的天线，通过将彼此缝隙耦合的相同形状或不同形状的若干多面体周期性排列来形成天线辐射体，在非辐射方向上相邻多边形之间形成的缝隙产生电磁辐射，激发tm10和tm20模，最终形成宽频带，高增益天线，在介质基板上加载周期性金属结构可以提高基板的有效介电常数，同时将周期性金属片单元作为天线的辐射体，可以显著的降低整体天线的高度，在天线带宽为34%左右时，天线高度可降低到0.03倍波长，最终得到所需要的超低剖面，宽频带，高增益的天线。

本发明的实施例1-9均为微带耦合馈电结构，该天线均包括以下几部分：从上至下依次为天线辐射体1、天线介质基板2、接地金属板3，馈电基板4和馈电线5。其中天线辐射体由彼此电磁耦合的相同形状或不同形状的若干多面体周期性排列而成，天线馈电形式采用缝隙耦合背面馈电形式，其中接地金属板中心开有馈电缝隙a3，微带馈线上的能量通过接地金属板中心的馈电缝隙耦合到天线辐射体1，通过调节微带馈线stub（stub就是指微带线上多出来的开路短截线，即余线）长度改善其阻抗匹配特性。通过这种天线形式，图1-14中给出了几种实施案例。

实施例1

参照图1-3，天线辐射体由14块六边形金属片单元a1周期阵列排列而成，在非辐射方向上相邻块六边形金属片单元之间形成的辐射缝隙b1和辐射方向上相邻块六边形金属片单元之间形成的非辐射缝隙c1使之形成14块缝隙容性加载的周期结构，改变相邻六边形金属片单元之间形成的辐射缝隙和非辐射缝隙的宽度可以改善天线的带宽。图3为天线的背面示意图，天线馈电形式采用缝隙耦合馈电形式，接地金属板中心开有w形馈电缝隙，微带馈线将电磁能量通过w形馈电缝隙耦合到天线辐射体，通过调节微带馈线stub长度改善其阻抗匹配特性。另外w形馈电缝隙的中心与六边形金属片单元之间的辐射缝隙相对位置中心重合，调节w形馈电缝隙的长度和宽度，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。

使用时，天线沿着馈电线的方向上相邻六边形之间形成的缝隙将产生电磁辐射，激发tm10和tm20两种模式，形成宽频带，并且在介质基板上加载周期性金属结构形成高阻面，其反射相位为0，可以显著的降低介质基板的高度，达到剖面极致低的效果，同时由于该天线尺寸相对比较大所以具有高增益的特性；另外，通过调节微带馈线stub长度可以改善其阻抗匹配特性。而接地金属板上馈电缝隙与馈电线方向上相邻六边形之间形成的缝隙相对位置中心重合，调节馈电缝隙的长度和宽度，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。

实施例2

参照图4，本实施例类似于实施例1，但天线辐射体的排列有所变化，天线辐射体由10块六边形金属片单元和4块半六边形金属片单元组成，非辐射方向两端的六边形单元切掉一半，天线的非辐射边尺寸变小。

实施例3

参照图5，本实施例类似于实施例1，不同之处在于在每个六边形金属片单元中心加载有连接到接地金属板的金属通孔d1，辐射缝隙和非辐射缝隙以及金属通孔使每个金属片单元之间形成并联电容和串联电感，天线沿着馈电线的方向上相邻金属片之间形成的缝隙将产生电磁辐射，激发tm10和tm20两种模式，形成宽频带特性。

实施例4

参照图6-7，天线辐射体1由9块圆形金属片单元，12块半圆形金属片单元，4块四分之一圆形金属片单元，12块菱形金属片单元周期阵列排列而成，天线辐射体正中心结构为圆形结构，圆形与菱形结构之间形成缝隙容性加载的周期结构的辐射间隙，改变辐射间隙的宽度可以改善天线的带宽。天线馈电形式采用缝隙耦合馈电形式，接地金属板中心开有环形馈电缝隙，微带馈线上的能量通过圆环形馈电缝隙耦合到天线辐射体，通过调节微带馈线stub长度改善其阻抗匹配特性。另外接地金属板上圆环形馈电缝隙与天线辐射体中心的圆环形辐射间隙相对位置中心重合，调节圆环形馈电缝隙的位置和宽度，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。

实施例5

参照图8，本实施例类似于实施例4，天线辐射体由12块圆形金属片单元1，8块半圆形金属片单元和16块菱形金属片单元组成，且圆形金属片单元和菱形金属片单元相互交差排列成周期结构，天线辐射体正中心结构为缝隙结构，改变金属片单元之间的辐射间隙的宽度可以改善天线的带宽。

实施例6

参照图9，本实施例类似于实施例4，接地金属板的开槽为圆环形状，天线辐射体由16块圆形金属片单元和9块菱形金属片单元组成，天线辐射体1正中心为菱形单元结构，改变金属片单元之间的辐射间隙的宽度可以改善天线的带宽。

实施例7

参照图10，本实施例类似于实施例6，天线辐射体的边缘的圆形结构切平变成了半圆形结构。

实施例8

参照图11-12，天线辐射体由16块方形金属片单元周期阵列排列而成，相邻辐射金属片单元在非辐射方向形成4个相互平行的辐射缝隙，在辐射方向上形成4个相互平行的非辐射缝隙，在天线辐射体的四周的边缘处加载有周期性的锯齿结构e1，锯齿结构可以提高天线的带宽。相邻金属片单元之间形成的辐射缝隙和非辐射缝隙使之形成缝隙容性加载的周期结构，改变金属片单元之间的辐射缝隙和非辐射缝隙的宽度可以改善天线的带宽。天线馈电形式采用缝隙耦合馈电形式，接地金属板中心开有条形馈电缝隙，微带馈线上的能量通过条形馈电缝隙耦合到天线辐射体，通过调节微带馈线stub长度改善其阻抗匹配特性。另外接地金属板上条形缝隙与天线辐射体中心的辐射缝隙相对位置中心重合，调节条形缝隙的位置和宽度，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽，并且还在天线辐射体的周边加载周期性的锯齿结构来改善天线的带宽。与所述馈电线垂直的方向为非辐射方向，天线辐射体在非辐射方向上的两个边缘可以设置短路金属件18来抑制表面波，所述短路金属件一端延伸天线介质基板上表面，另一端与接地金属板连接。参照图22，该图显示了短路金属件的一种实施方式：一排金属短路通孔导通到接地金属板上来抑制表面波。

实施例9

参照图13，本实施例类似于实施例8，不同之处在于在每个金属片单元中心加载有连接到接地金属板的金属通孔。辐射缝隙、非辐射缝隙以及每个金属片单元中心加载的连接到接地金属板的金属通孔使每个金属片单元之间形成并联电容和串联电感，天线沿着馈电线的方向上相邻金属片之间形成的缝隙将产生电磁辐射，激发tm10和tm20两种模式，形成宽频带特性。

实施例10

参照图14-16，本实施例天线从上至下依次为天线辐射体、天线介质基板、接地金属板，本实施例天线的天线辐射体类似于实施例9，天线的馈电形式为cpw（coplanarwaveguide，共面波导）耦合馈电形式，在接地金属板上开有两个cpw缝隙b3形成cpw馈线，同时在馈电线末端两侧加载两个条形馈电缝隙，即两个cpw缝隙与两个条形馈电缝隙形成儿字形缝隙（条形馈电缝隙可以与cpw馈线垂直），使得cpw馈线的能量从这两个馈电缝隙耦合到天线辐射体上。馈电线末端的两个馈电缝隙与相邻金属片单元形成的辐射间隙相对位置中心重合，通过调节馈电缝隙的尺寸，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。

实施例11

参照图17-20，本实施例天线从上至下依次为天线辐射体、天线介质基板、第一接地金属板6、馈电基板、第二接地金属板7，本实施例天线的天线辐射体类似于实施例2，天线的馈电形式为siw（substrateintegratedwaveguide，介质集成波导）耦合馈电形式，siw馈线由两排导通第一接地金属板和第二接地金属板的第一siw过孔8组成，在siw馈线末端设有第二siw过孔9，通过调节过孔的直径，间距以及以及两排过孔之间的距离可以调节介质集成波导的模式传输以及端口阻抗，同时通过调节第二siw过孔的位置可以调节天线的阻抗匹配。在第一接地金属板上开有v形馈电缝隙，使得siw传播的能量从这两个缝隙耦合到天线辐射体上。v形馈电缝隙与相邻金属片单元形成的辐射间隙相对位置中心重合，通过调节v形馈电缝隙的尺寸，使两者之间的耦合量最大，进一步提高天线的带宽。v形馈电缝隙可以垂直于siw馈线设置，参照图20，也可以平行于siw馈线设置，参照图18。

实施例12

参照图21，本实施例封装天线结构以实施例2的天线为例进行说明，封装天线结构从上往下依次包括封装体、芯片裸片10和主板11，所述封装体包括依次层叠的覆盖层12、第一介质层13、第一半固化层14、第二介质层15、第二半固化层16和第三介质层17，天线辐射体印制在第一介质层上方，接地金属板印制在第三介质层上方，馈电线印制在第三介质层下方，第一介质层对应为天线介质基板，第三介质层对应为馈电基板。覆盖层主要起到保护整个封装天线结构的作用，封装体中介质层和半固化层主要是为了引出芯片裸片的各种引线（包括电源线，地线，天线的馈线等等），以便给芯片加电以及各种逻辑连接等等，同时也起到保护支撑芯片的作用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。