一种应用于5G宽带毫米波双极化封装天线及阵列天线的制作方法

一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线及阵列天线
技术领域
1.本发明涉及毫米波封装天线技术领域，具体为一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天 线及阵列天线。


背景技术：

2.随着移动通讯技术的发展，现代通讯中频段逐渐拥挤，因此频段较高的厘米波、毫米波 被关注，毫米波集成技术是第五代移动通讯网络的关键技术；
3.毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，兼有微波和远红外波的特点，传统的微 波集成技术是将天线和毫米波接收机芯片一起安装在印制板上，但是这种方案中天线与收 发机的电缆或者传输线带来了额外的信号损耗，同时天线需要占据一定的空间，阻碍了系 统的小型化；
4.在此基础上，封装天线基于封装材料与工艺将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线 功能的一种技术，可以减小收发机与天线之间的传输损耗，缩小产品的尺寸，很好地兼顾 了天线性能、成本及体积，与单芯片收发机更好的匹配，实现良好的性能。同时，由于毫 米波波长较短，可在有限的封装尺寸内放置更多天线阵子，设计毫米波天线阵列，实现高 增益。
5.但是现有的封装天线不再能满足第五代移动通讯网络，第五代移动通信技术除了分配了 sub-6ghz波段，还分配了高频毫米波波段，全球优先部署的5g毫米波频段有 n257(26.5ghz～29.5ghz，相对带宽10.7％)、n258(24.25ghz～27.5ghz，相对带宽12.6％) 和n260(37ghz～40ghz，相对带宽7.8％)。另外，毫米波频段还有60ghz的ism频段 (57ghz～66ghz，相对带宽14.6％),以及中国工信部在2013年授权给ism宽带无线接入 应用的q波段42.3ghz～48.4ghz(相对带宽13.5％)；现有的封装天线的厚度一般小于1毫 米，因此现有的封装天线的带宽一般在10％以内；考虑到加工精度以及一致性要求，在设计 毫米波封装天线时需要设计更宽的带宽，现有的封装天线设计方法无法满足毫米波宽带应 用需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线及阵列天线，以解决 上述背景技术中提出的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线，包括：基板，所述基板由若干芯板压合而 成，所述相邻芯板之间通过半固化片粘合；
9.基板顶层芯板上表面设置天线辐射模块；
10.基板最底层芯板上表面设置信号反射模块，所述信号反射模块开设过孔洞；
11.所述基板最底层芯板内设置凹槽，所述凹槽内设置无线收发芯片管芯，所述无线收发 芯片管芯与信号反射模块电气连接；
12.所述基板内设置蛇形馈电模块，所述蛇形馈电模块一端与天线辐射模块连接，所
述蛇 形馈电模块另一端穿过过孔洞和基板最底层芯板，通过金丝与无线收发芯片管芯连接，所 述过孔洞尺寸大于穿过过孔洞的蛇形馈电模块的部分的尺寸。
13.信号反射模块开设过孔洞避免信号反射模块与金属化过孔连接，避免信号困在信号反 射模块与天线辐射模块之间，导致天线发送信号失败；因为末端金属化过孔必然穿过信号 反射模块，所以信号反射模块开设过孔洞且过孔洞直径大于金属化过孔的直径。
14.所述蛇形馈电模块包括第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元，所述第二极 化蛇形馈电单元与第一极化蛇形馈电单元相互正交。
15.第一极化蛇形馈电单元与第二极化蛇形馈电单元正交形成双极化，极大程度的提高封 装天线的集成度，保证封装天线的性能。
16.所述第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元均包括若干金属化过孔和若干金 属化线，所述金属化过孔之间通过金属化线连接；
17.第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元连接关系相同，但是结构不完全相同， 完成相同的第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元会影响第二极化蛇形馈电单元 与第一极化蛇形馈电单元相互正交的效果；
18.其中，蛇形馈电模块从一端至另一端，第一金属化过孔一端与天线辐射模块连接，第 一金属化过孔另一端与第一金属化线连接，所述第一金属化线平行于基板，且从与第一金 属化过孔连接处向天线辐射模块中心方向沿伸，金属化线均平行于第一金属化线；
19.金属化过孔连接天线辐射模块，并穿过最底层芯板与无线收发芯片管芯连接，多段金 属化过孔之间通过金属化线连接，形成了蛇形馈电模块；
20.第一金属化过孔延伸方向保证馈电单元在天线辐射模块下方，且穿过天线辐射模块中 心的垂直方向；
21.其中，蛇形馈电模块从一端至另一端，末端金属化过孔一端与金属化线连接，末端金 属化过孔另一端穿过过孔洞通过金丝与与无线收发芯片管芯连接；
22.其中，除了第一金属化过孔和末端金属化过孔，金属化过孔均在天线辐射模块和信号 反射模块之间且不与天线辐射模块和信号反射模块连接；避免信号困在信号反射模块与天 线辐射模块之间，影响天线发送信号效果；
23.其中，第一金属化过孔在天线辐射模块和信号反射模块之间且不与信号反射模块连接， 避免信号困在信号反射模块与天线辐射模块之间，影响天线发送信号效果。
24.所述第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元的金属化过孔数量至少为2个。
25.两个金属化过孔是形成蛇形馈电模块的最小数，否则无法有效地扩大带宽。
26.所述蛇形馈电模块的主要作用是馈入信号以及完成输入到天线辐射模块的阻抗变换， 所述蛇形馈电模块通过调整金属化过孔的位置及金属化线的线宽形成多个串联及并联谐振 电路，蛇形馈电模块与封装天线在同一频率谐振，从而增加封装天线带宽，满足5g通讯需 求。
27.第一金属化过孔与天线辐射模块连接点距离天线辐射模块边缘0.03λceff至 0.08λceff的范围内，其中λceff是中心频率处的有效波长。
28.服务于蛇形馈电模块，保证天线的增益、交叉极化比、隔离度等性能。
29.所述天线辐射模块的形状，包括圆形、方形、三角形和矩形；
30.圆形天线辐射模块的半径在0.2λceff到0.4λceff的范围内；
31.方形天线辐射模块的边长在0.3λceff到0.45λceff的范围内。
32.服务于蛇形馈电模块，保证天线的增益、交叉极化比、隔离度等性能。
33.所述信号反射模块尺寸大于天线辐射模块尺寸0.2λceff。
34.服务于蛇形馈电模块，保证天线的增益、交叉极化比、隔离度等性能。
35.一种应用于5g宽带毫米波双极化封装阵列天线，包括若干个封装天线，且封装天线成 阵列排布，天线之间间距范围为(0.9λceff，1.1λceff)。
36.服务于蛇形馈电模块，保证天线的增益、交叉极化比、隔离度等性能。
37.所述信号反射模块尺寸大于阵列天线单元尺寸0.2λceff。
38.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：与已有的毫米波封装天线相比，本发 明通过设置多段的金属化过孔形成蛇形的馈电单元，减小封装天线的品质因素，从而扩大 封装天线的带宽，满足q波段的宽带无线接入应用需求,完全覆盖全球优先部署的5g毫米 波频段，同时本发明的封装天线和封装阵列天线带宽高，增益高，天线的体积小，低剖面、 易加工、易集成、可靠性高，成本低，可以满足批量生产的需求。
附图说明
39.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例 一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
40.图1是现有的封装天线结构图和等效电路；
41.图2是本发明一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线等效电路图；
42.图3是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线第一极化蛇形馈电单 元剖视图；
43.图4是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线第二极化蛇形馈电单 元剖视图；
44.图5是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线驻波比和隔离度结果 图；
45.图6是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线的峰值增益图；
46.图7是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线增益方向图及交叉极 化方向图；
47.图8是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装阵列天线的峰值增益图；
48.图9是本发明实施例中一种应用于5g宽带毫米波双极化封装阵列天线增益方向图及交 叉极化方向图；
49.其中，1、基板；2、天线辐射模块；311、第一金属化过孔；312、第一覆铜线；313、 第二金属化过孔；314、第二覆铜线；315、第三金属化过孔；316、第二覆铜线；317、第 四金属化过孔；321、第二极化第一金属化过孔；322、第二极化第一覆铜线；323、第二极 化第二金属化过孔；324、第二极化第二覆铜线；325、第二极化第三金属化过孔；4、信号 反射模块；5、无线收发芯片管芯；6、金丝；61、第一金丝；62、第二金丝。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 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他实 施例，都属于本发明保护的范围。
51.实施例：具体的，一种应用于5g宽带毫米波双极化封装阵列天线，包括4个封装天线， 且封装天线之间成阵列排布，形成2*2阵列，天线之间的间距为5mm；
52.具体的，如图3至图5，一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线，包括：
53.基板1是由三个采用tly-5板材的芯板和两个半固化片压合而成,其中相邻的两个芯板 用一个半固化片粘合；
54.基板1顶层芯板上表面设置天线辐射模块2，天线辐射模块2为方形铜片，天线辐射模 块2厚度为0.035mm，尺寸为1.8*1.8mm；
55.基板1最底层芯板上表面设置信号反射模块4，信号反射模块4为连续的铜片，尺寸为 5*5mm，所述信号反射模块开设过孔洞；
56.基板1最底层芯板内设置无线收发芯片管芯5，无线收发芯片管芯5与信号反射模块4 下表面接触；
57.基板1内设置蛇形馈电模块，蛇形馈电模块一端与天线辐射模块2连接，蛇形馈电模 块另一端穿过过孔洞和基板最底层芯板，通过金丝6与无线收发芯片管芯5的信号输入/输 出端连接，所述过孔洞尺寸大于穿过过孔洞的蛇形馈电模块的部分的尺寸。
58.信号反射模块开设过孔洞避免信号反射模块与金属化过孔连接，避免信号困在信号反 射模块与天线辐射模块之间，导致天线发送信号失败；因为末端金属化过孔必然穿过信号 反射模块，所以信号反射模块开设过孔洞且过孔洞直径大于金属化过孔的直径。
59.蛇形馈电模块包括第一极化蛇形馈电单元和第二极化蛇形馈电单元；
60.第一极化蛇形馈电单元包括4个金属化过孔组和3个覆铜线，金属化过孔之间通过覆 铜线连接，金属化过孔组垂直于基板1，金属化过孔与覆铜线连接点在芯板和半固化片之间；
61.第一金属化过孔311一端与天线辐射模块2连接，第一金属化过孔311另一端自上到 下穿过第一层芯板、第一层半固化片和第二层芯板与第一覆铜线312连接；第一金属化过 孔311与天线辐射模块2连接处距离天线辐射模块2边缘0.2mm，服务于蛇形馈电模块，保 证天线的增益、交叉极化比、隔离度等性能。
62.第一覆铜线312向天线辐射模块2的中心点且水平与基板1方向延伸与第二金属化过 孔313连接，第二金属化过孔313穿过第二层芯板通过第二覆铜线314与第三金属化过孔 315连接，第三金属化过孔315穿过第一层半固化片通过第三覆铜线316与第四金属化过孔 317连接，第二覆铜线314和第三覆铜线316与第一覆铜线312方向一致；
63.第四金属化过孔317穿过自上到下穿过第一层半固化片、第二层芯板、第二层半固化 片、过孔洞和第三层芯板通过第一金丝61与无线收发芯片管芯5的信号输入/输出端连接。
64.第二极化蛇形馈电单元包括3个金属化过孔组和2个覆铜线，金属化过孔之间通过覆 铜线连接，金属化过孔组垂直于基板1，金属化过孔与覆铜线连接点在芯板和半固化片
之间；
65.第二极化第一金属化过孔321一端与天线辐射模块2连接，第二极化第一金属化过孔 321另一端自上到下穿过第一层芯板、第一层半固化片和第二层芯板与第二极化第一覆铜线 322连接，第二极化第一金属化过孔321与天线辐射模块2连接处距离天线辐射模块2边缘 0.2mm；
66.第二极化第一覆铜线312向天线辐射模块2的中心点且水平与基板1方向延伸与第二 极化第二金属化过孔323连接，第二极化第二金属化过孔323自下到上穿过第二层芯板和 第一层半固化片，通过第二极化第二覆铜线324与第二极化第三金属化过孔325连接，第 二极化第二覆铜线324与第二极化与第一覆铜线322方向一致；
67.第二极化第三金属化过孔325自上到下穿过第一层半固化片、第二层芯板、第二层半 固化片、过孔洞和第三层芯板通过第二金丝62与无线收发芯片管芯5的信号输入/输出端连 接。
68.第二极化蛇形馈电单元与第一极化蛇形馈电单元正交，实现天线双极化。
69.金属化过孔连接天线辐射模块，并穿过最底层芯板与无线收发芯片管芯连接，多段金 属化过孔之间通过金属化线连接，形成了蛇形馈电模块；
70.蛇形馈电模块的主要作用是馈入信号以及完成输入到天线辐射模块的阻抗变换，蛇形 馈电模块通过调整金属化过孔的位置及金属化线的线宽形成多个串联及并联谐振电路，蛇 形馈电模块与微带贴片天线在同一频率谐振，从而增加封装天线带宽；
71.具体的，如图6，其中db(s(1,1))表示第一极化驻波比，db(s(2,2))表示第二极化驻 波比，db(s(2,1))表示第一极化与第二极化隔离度，从图中可以看出实施列的第一极化
‑ꢀ
10db带宽为37.36ghz～51.41ghz(相对带宽15.8％)，第二极化-10db带宽为 39.17ghz～53.84ghz(相对带宽15.8％)，第一极化和第二极化完的端口隔离度在全频段 内》15db,指标优良。
72.具体的，如图7，其中1st polarization表示封装天线第一极化峰值增益，2ndpolarization表示封装天线第二极化峰值增益，实施列的5g宽带毫米波双极化天线的峰值 增益超过5dbi,指标优良。
73.具体的，如图8，其中gain(1st pol)(dbi)表示封装天线第一极化增益方向图， gain(1st copol)(dbi)表示封装天线第一极化的交叉极化方向图，gain(2nd pol) (dbi)表示封装天线第二极化增益方向图，gain(2nd copol)(dbi)表示封装天线第二 极化的交叉极化方向图，实施例封装天线的交叉极化比超过15db。
74.具体的，如图9，其中1st polarization_1表示阵列天线第一极化，2ndpolarization_1表示阵列天线第二极化，实施例阵列天线的增益11dbi左右。
75.具体的，如图9，实施例封装阵列天线的交叉极化比在15db左右。
76.实施例中的封装天线和阵列天线增益、带宽、隔离度和交叉极化比各项天线指标优良， 均满足q波段的宽带无线接入应用需求。
77.本发明的工作原理：
78.如图1现有的封装天线结构图和等效电路图所示，其中，微带贴片天线等效为ra、la、 ca谐振电路，天线馈线等效为电感lp，
79.则输入阻抗计算公式为：
[0080][0081]
其中，z
in
表示封装天线输入阻抗，ra表示微带贴片天线等效电阻，ca表示微带贴片天 线等效电容，la表示微带贴片天线等效电感，j表示虚部符号，ω表示工作角频率，l
p
表示 天线馈线等效电感，r
′a表示封装天线等效电阻，q表示微带天线的品质因数，f表示封装天 线工作频率，f0表示主模谐振频率；
[0082]
方形微带贴片天线的电压驻波比不大于2的相对带宽近似计算公式：
[0083][0084]
其中，bw表示相对带宽；
[0085]
而微带天线的品质因数的计算公式为：
[0086][0087]
其中，qr表示辐射损耗引起的品质因素，qc表示导体损耗引起的品质因数，qd表示介 质损耗引起的品质因数，q
sw
表示表面波损耗引起的品质因数；
[0088]
辐射损耗引起的品质因素的计算公式为：
[0089][0090]
其中，λ表示工作波长，ε表示介质介电常数，h表示介质厚度；
[0091]
导体损耗引起的品质因数的计算公式为：
[0092][0093]
其中，σ表示导体电导率；
[0094]
介质损耗引起的品质因数的计算公式为：
[0095][0096]
其中，δ表示介质损耗正切角；
[0097]
表面波损耗引起的品质因数的计算公式为：
[0098][0099]
其中，q
sw
表示表面波损耗引起的品质因数；
[0100]
如图2一种应用于5g宽带毫米波双极化封装天线等效电路图所示，天线辐射模块等效 为ra、la、ca谐振电路，蛇形馈电模块等效为电感l1～ln、电容c1～cn和电容c2'～cn
‑ꢀ
1'；
[0101]
蛇形馈电模块的输入阻抗计算公式为：
[0102]
[0103]
其中，r
′b表示蛇形馈电模块的等效电阻，x
′b表示蛇形馈电模块的归一化的电抗；zf表 示蛇形馈电模块的输入阻抗，j表示虚部符号，q表示微带天线的品质因数，f表示封装天线 工作频率，f0表示主模谐振频率；
[0104]
则封装天线的输入阻抗计算公式为：
[0105][0106]
其中，z
in
表示封装天线输入阻抗，r'a表示封装天线等效电阻；则封装天线的品质因数 q增加了倍，调整金属化过孔的位置及金属化线的线宽，使得倍，调整金属化过孔的位置及金属化线的线宽，使得降低了封装天线的品质因数，相应的封装天线的带宽增加了降低了封装天线的品质因数，相应的封装天线的带宽增加了倍，从而满足5g通讯在毫米波段的通讯需求。
[0107]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或 者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任 何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。
[0108]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。