CN115566408A - 一种基于hdi工艺的圆极化栅格封装天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，用以解决5G毫米波频段圆极化电磁波的发射和接收问题。本发明的栅格封装天线拥有宽带特性，适用于5G毫米波频段的信号传输；采用HDI工艺，降低了制造成本；同时，将开环结构作为栅格阵列天线的短边能够实现优良的圆极化性能，且有助于天线接收任意极化的电磁波，也使得天线的辐射波可由任何极化天线收到；将弧形结构替代传统栅格阵列天线的直长边，不但提升了天线的性能，还大大减小了封装体的尺寸。综上，本发明提供一种基于HDI工艺的应用于5G毫米波频段的圆极化栅格封装天线，能够实现宽带特性，同时显著提高天线圆极化性能，减小封装体尺寸，降低封装成本。

Description

一种基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及毫米波集成电路和封装天线技术，特别提供一种基于HDI工艺的应用于5G毫米波频段加载圆极化栅格阵列天线的封装天线。

背景技术

快速兴起的下一代5G毫米波通信是移动通信未来发展方向，相比sub-6G，它能够带来更快、更好地传输速率与传输效果；此外，5G无线通信系统需要高度集成的无线电接入解决方案。AIP封装天线来源于SIP系统封装的概念，它具有小尺寸、高集成度特性，在毫米波应用有更加突出的优势。与分离天线或片上天线相比，由于天线元件的尺寸和间距与波长相当，封装天线解决方案在毫米波频率下变得更加可行；具体而言，与分离天线相比，将天线嵌入封装基板可减少RFIC和天线之间的整体互连长度，从而最大限度地减少馈线损耗并提高辐射效率；与片上天线相比，封装天线具有更高的增益，能更有效的应对随着频率升高，介质中传输损耗增大的问题。

目前，封装天线的工艺主要分为三种：低温共烧陶瓷技术(LTCC)、高密度互连工艺(HDI)与扇出式晶圆级封装工艺(FOWLP)；与LTCC相比，HDI工艺互连密度更大，封装层数非常少、尺寸更小，HDI采用低介电常数的有机基板，天线实现的带宽更大，增益和辐射效率更高；与FOWLP工艺相比，HDI非常具有成本优势，降低了制造难度和制造成本；由此可见，HDI更具工业价值，因而，本发明提供一种基于HDI工艺的应用于5G毫米波频段加载圆极化栅格阵列天线的封装天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，用以解决5G毫米波频段圆极化电磁波的发射和接收问题；并且，本发明能够显著提高天线的圆极化性能，降低天线尺寸及封装体积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，包括：从下往上依次层叠的下介质层1、核心层2、上介质层3及栅格阵列天线5，其中，栅格阵列天线5通过铜过孔4经上介质层、核心层与下介质层后连接到下介质层底部的信号端；其特征在于，

所述栅格阵列天线由中心单元及其两侧拼接的侧边单元构成；所述中心单元呈“日”字形结构，由2个第一开环结构5-1、1个第二开环结构5-2与4个第一弧形结构5-3构成，其中，第二开环结构作为中间水平边，第一开环结构作为两侧水平边，第一弧形结构作为竖直边；所述侧边单元呈开口结构，由2个第二开环结构5-2与1个第二弧形结构5-4构成，其中，第二开环结构作为水平边，第二弧形结构作为竖直边；侧边单元的开口端分别拼接至中心单元的第一弧形结构的中间位置；所述栅格阵列天线沿竖直边方向的中心线呈对称结构。

进一步的，所述第一开环结构5-1与第二开环结构5-2均呈“Ω”形，由开口圆环及其两个开口端拼接的“L”形枝节构成；所述第二开环结构5-2的开口圆环内还加载有开路枝节、且开路枝节位于中间位置，所述第二开环结构5-2中“L”形枝节的末端呈线性展宽。

更进一步的，所述第一开环结构5-1与第二开环结构5-2中，开口圆环的开口角度相同，均为58°。

更进一步的，所述第一开环结构5-1与第二开环结构5-2的周长相同，均为工作频率的电磁波在自由空间中的半波长。

进一步的，所述第一弧形结构5-3与第二弧形结构5-4采用相同结构，分别由尺寸相同的第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环依次拼接构成；所述第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环的圆心位于同一竖直边上，第一半圆环与第四半圆环位于该竖直边的同一侧、第二半圆环与第三半圆环位于该竖直边的另一侧。

更进一步的，所述第二弧形结构5-4的宽度大于第一弧形结构5-3的宽度。

更进一步的，所述第一弧形结构5-3与第二弧形结构5-4的周长相同，均为工作频率的电磁波在自由空间中的波长。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线。该栅格阵列天线将传统栅格阵列天线的水平边转为开环结构，由于天线辐射与带状线上的电流方向相同且大小与其成比例的电磁波，从开环型结构的每一侧辐射的电磁波的合成电场在垂直于基板的表面方向上相对于时间以每循环一圈的旋转速度均匀旋转，因此能够实现圆极化；

由于沿环路流动的反向电流会产生交叉极化辐射，导致更大的轴比和更低的增益，因此根据电流分布，在第二开环结构5-2加入开路枝节，阻止开环谐振，从而降低轴比，提高增益；

为了缩小面积，缩短辐射边间距从而提高阻抗带宽，将传统栅格阵列天线的竖直边设计为由尺寸相同的第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环依次拼接构成；所述第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环的圆心位于同一竖直边上，第一半圆环与第四半圆环位于该竖直边的同一侧、第二半圆环与第三半圆环位于该竖直边的另一侧。

为了实现50Ω的阻抗匹配，第二开环结构5-2中“L”形枝节的末端呈线性展宽，同时增加第二弧形结构5-4的宽度，表现为第二弧形结构5-4的宽度大于第一弧形结构5-3的宽度

并且，该封装天线使用HDI工艺与芯片进行封装，实现高密度的互连；采用低介电常数的基板，提升了天线的圆极化及增益，同时选用HDI工艺也降低了封装的成本，增大了量产的可能性。

综上，本发明提供一种基于HDI工艺的应用于5G毫米波频段的圆极化栅格封装天线，能够显著提高天线的圆极化性能，降低天线的尺寸，封装的体积。

附图说明

图1为本发明基于HDI工艺的栅格封装天线的横截面结构示意图。

图2为本发明中栅格阵列天线的结构示意图。

图3为本发明中第一开环结构的结构示意图。

图4为本发明中第二开环结构的结构示意图。

图5为本发明中第一弧形结构与第二弧形结构的结构示意图。

图6为传统栅格天线的结构示意图。

图7为本发明实施例中栅格封装天线的回波损耗曲线。

图8为本发明实施例中栅格封装天线的增益曲线。

图9为本发明实施例中栅格封装天线的轴比曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与技术效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提供一种基于HDI工艺的应用于5G毫米波频段的栅格封装天线，其结构如图1所示，具体包括：从下往上依次层叠的下介质层1、核心层2、上介质层3及栅格阵列天线5，其中，栅格阵列天线5通过铜过孔4经上介质层、核心层与下介质层后连接到下介质层底部的信号端；更为具体的讲：

所述栅格阵列天线如图2所示，由中心单元及其两侧拼接的侧边单元构成；所述中心单元呈“日”字形结构，由2个第一开环结构5-1、1个第二开环结构5-2与4个第一弧形结构5-3构成，其中，第二开环结构作为中间水平边，第一开环结构作为两侧水平边，第一弧形结构作为竖直边；所述侧边单元呈开口结构，由2个第二开环结构5-2与1个第二弧形结构5-4构成，其中，第二开环结构作为水平边，第二弧形结构作为竖直边；侧边单元的开口端分别拼接至中心单元的第一弧形结构的中间位置；所述栅格阵列天线沿竖直边方向的中心线呈对称结构；

所述第一开环结构5-1与第二开环结构5-2均呈“Ω”形，由开口圆环及其两个开口端拼接的“L”形枝节构成，如图3所示；所述第二开环结构5-2的开口圆环内还加载有开路枝节、且开路枝节位于中间位置，所述第二开环结构5-2中“L”形枝节的末端呈线性展宽，如图4所示；

所述第一弧形结构5-3与第二弧形结构5-4采用相同结构，由尺寸相同的第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环依次拼接构成，如图5所示；所述第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环的圆心位于同一竖直边上，第一半圆环与第四半圆环位于该竖直边的同一侧、第二半圆环与第三半圆环位于该竖直边的另一侧；所述第二弧形结构5-4的宽度大于第一弧形结构5-3的宽度。

从工作原理上讲：本发明在如图6所示的传统格栅阵列天线的基础上，将其中的水平边(短边)相应替换为第一开环结构5-1与第二开环结构5-2，极大降低了栅格阵列天线的轴比；将其中的竖直边(长边)相应替换为第一弧形结构5-3与第二弧形结构5-4，大大减小了栅格阵列天线的尺寸；并匹配第一开环结构、第二开环结构、第一弧形结构及第二弧形结构的特有形貌设计，使得栅格封装天线能够实现优良的圆极化性能，且具有小封装体积及低封装成本的优点；同时，该封装天线使用HDI工艺与芯片进行封装，实现高密度的互连；具有良好的产业化引用前景。

进一步的，本实施例中，下介质层的相对介电常数为3.4、损耗角正切为0.01，核心层的相对介电常数为3.55、损耗角正切为0.0027，上介质层的相对介电常数为3.4、损耗角正切为0.01。第一开环结构5-1与第二开环结构5-2中开口圆环的开口角度(圆心角)均为58°；第一开环结构5-1的宽度为0.3mm、即其中开口圆环与“L”形枝节的宽度均为0.3mm，第一开环结构的周长为5.4mm(28GHz的电磁波在自由空间中的半波长)、即其中开口圆环与“L”形枝节的总长度为5.4mm；第二开环结构5-2的宽度为0.3mm、即其中开口圆环与“L”形枝节的宽度均为0.3mm，第二开环结构的周长为5.4mm(28GHz的电磁波在自由空间中的半波长)、即其中开口圆环与“L”形枝节的总长度为5.4mm(不包括开路枝节)，第二开环结构中开路枝节的宽度为0.3mm、长度为0.8mm。第一弧形结构5-3的宽度为0.3mm、即每个半圆环的环宽为0.3mm，第一弧形结构的周长为10.8mm(28GHz的电磁波在自由空间中的波长)；第二弧形结构5-4的宽度为0.8mm、即每个半圆环的环宽为0.8mm，第二弧形结构的周长也为10.8mm。另外，第二开环结构5-2中“L”形枝节的末端呈线性展宽至0.8mm，与第二弧形结构5-4实现拼接；为了实现输入端口50Ω阻抗匹配，铜过孔4的内径为0.11mm、外径为0.55mm、高度为3mm。

采用电磁场仿真软件HFSS对上述圆极化栅格封装天线进行仿真，如图7所示为栅格封装天线的回波损耗，由图可见，天线在24.73GHz～40GHz的S11参数均小于-10dB，几乎覆盖整个5G毫米波频段，天线的相对带宽可达47％，具有宽带特性；如图8所示为栅格封装天线在回波损耗小于-10dB内的增益曲线，最大增益能够达到6dBi，最小增益达到2.4dBi；如图9所示为栅格封装天线在回波损耗小于-10dB内的轴比曲线，在24.6～36GHz内，轴比均小于3dB，轴比相对达到37％，体现了优良的圆极化性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，包括：从下往上依次层叠的下介质层(1)、核心层(2)、上介质层(3)及栅格阵列天线(5)，其中，栅格阵列天线(5)通过铜过孔(4)经上介质层、核心层与下介质层后连接到下介质层底部的信号端；其特征在于，

所述栅格阵列天线由中心单元及其两侧拼接的侧边单元构成；所述中心单元呈“日”字形结构，由2个第一开环结构(5-1)、1个第二开环结构(5-2)与4个第一弧形结构(5-3)构成，其中，第二开环结构作为中间水平边，第一开环结构作为两侧水平边，第一弧形结构作为竖直边；所述侧边单元呈开口结构，由2个第二开环结构(5-2)与1个第二弧形结构(5-4)构成，其中，第二开环结构作为水平边，第二弧形结构作为竖直边；侧边单元的开口端分别拼接至中心单元的第一弧形结构的中间位置；所述栅格阵列天线沿竖直边方向的中心线呈对称结构。

2.按权利要求1所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一开环结构(5-1)与第二开环结构(5-2)均呈“Ω”形，由开口圆环及其两个开口端拼接的“L”形枝节构成；所述第二开环结构(5-2)的开口圆环内还加载有开路枝节、且开路枝节位于中间位置，所述第二开环结构(5-2)中“L”形枝节的末端呈线性展宽。

3.按权利要求2所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一开环结构(5-1)与第二开环结构(5-2)中，开口圆环的开口角度相同，均为58°。

4.按权利要求2所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一开环结构(5-1)与第二开环结构(5-2)的周长相同、均为工作频率的电磁波在自由空间中的半波长。

5.按权利要求2所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一开环结构(5-1)与第二开环结构(5-2)的宽度相同。

6.按权利要求1所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一弧形结构(5-3)与第二弧形结构(5-4)采用相同结构，分别由尺寸相同的第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环依次拼接构成；所述第一半圆环、第二半圆环、第三半圆环与第四半圆环的圆心位于同一竖直边上，第一半圆环与第四半圆环位于该竖直边的同一侧、第二半圆环与第三半圆环位于该竖直边的另一侧。

7.按权利要求6所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第二弧形结构(5-4)的宽度大于第一弧形结构(5-3)的宽度。

8.按权利要求6所述基于HDI工艺的圆极化栅格封装天线，其特征在于，所述第一弧形结构(5-3)与第二弧形结构(5-4)的周长相同，均为工作频率的电磁波在自由空间中的波长。

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