TWI650901B

TWI650901B - 貼片天線單元及天線

Info

Publication number: TWI650901B
Application number: TW106102933A
Authority: TW
Inventors: 劉亮勝; 李信宏; 符會利
Original assignee: 華為技術有限公司
Priority date: 2016-01-30
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2019-02-11
Also published as: CN105552550A; EP3751663B1; US20180337456A1; US20200280132A1; CN110611160B; EP3401998A1; EP3401998B1; CN105552550B; KR20180099897A; CN110611160A; US11189927B2; EP3401998A4; CN110600872B; EP3751663A1; WO2017128872A1; TW201728002A; CN110600872A; US10727595B2

Abstract

本發明涉及到通信技術領域，公開了一種貼片天線單元及天線。該貼片天線單元包括層疊的第一支撐層、基板、第二支撐層及積體電路，其中，第一支撐層和第二支撐層上分別貼附一個輻射貼片，第二支撐層設置有接地層，接地層上設置有耦合縫隙，第二支撐層設置有與耦合縫隙對應的饋線；積體電路分別與第一接地層及饋線連接。在上述具體技術方案中，通過使用4層基板進行製作，利用第三層的耦合縫隙，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，並且減少了寄生影響，同時層疊結構增加了天線有效面積，實現的低的寄生參數以及高的有效面積為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。

Description

貼片天線單元及天線

本發明涉及到通信技術領域，尤其涉及到一種貼片天線單元及天線。

目前在無線個人通訊系統中(WPAN：wireless personal area network)60GHz頻帶的應用已引起大家的興趣，主要是因為大家需要7GHz以上的較大的頻寬。這較大的頻寬和在毫米波的需求確實的在微波終端應用的設計上面臨著很多的挑戰，一般60GHz的無線前端產品通常是以昂貴的砷化鎵微波積體電路來完成。要達到低價錢的目標，有些是用矽鍺基成電路來完成，這些前端(front end)產品一般會將天線和管芯作在一起，也有的將天線用多個模組包含于封裝體內(system in Chip，system on chip)。在這60GHz的應用，天線成了一個很重要的角色，最新的技術是可以將天線設計在傳統介質層基板上，運用多管芯模組(MCM)封裝技術，將天線與管芯同時封裝于一個封裝體內，這樣就能將成本、尺寸縮小，又能達到通訊管芯特性規格提高產品競爭力。

在習知技術中，在封裝體內實現60GHz天線器件的方式主要有：1.)通過多層介質層基板，天線陣列在第一層，饋線放於第二層，接地平面放置於第二或三層，實現無源天線器件的集成；2.)將天線設計在積體電路上，基底放置於下面，通過封裝技術直接將無源器件粘在管芯上。

在習知技術中，在封裝體內基板上實現60GHz天線器件，這天線是使用饋線轉狹槽，為了要匹配到槽線天線，該天線用了90°槽線的轉折作實現，槽線饋線和饋線的輸入線是在同一直線上的，這形成了一個較小面積但可增加頻寬的設計。他被設計在叉形物的金屬載體裡。不但有較好的強度，也容易和金屬反射器(metallic reflector)作整合設計，這天線通常是用多層的LTCC(低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic)基板作製作的。

但採用上述結構的天線時，在很多實現天線封裝的過程中，天線若用縫隙饋電，天線增益將受制作工藝影響巨大，另外天線頻寬也不易控制。這種集成方式在一些大量量產中是無法實現的。

習知技術的另一種方式是用多層支撐層及貼片天線陣列放在基板最上層，使用第一層與第二層介質層間的饋線作為天線饋入用，接地平面置於第二層與第三層介質層間。

在此習知技術中，由於饋電方式由第二層饋入，以回損-10dB來看，頻寬只有約4.6GHz，在65GHz天線回損更只有-7dB，由於天線增益較低所以才使用16個貼片天線來增加增益，這不僅讓面積變得很大，天線特性也不佳。

本發明提供了一種貼片天線單元及天線，用以提高天線的效率。

本發明實施例提供了一種貼片天線單元，該貼片天線單元包括第一支撐層，與所述第一支撐層層疊設置的基板，設置在所述基板背離所述第一支撐層一面的第二支撐層，設置在所述第二支撐層背離所述基板一面的積體電路，其中，所述第一支撐層上背離所述基板的一面貼附有第一輻射貼片；所述基板上背離所述第二支撐層的一面貼附有第二輻射貼片，且所述第一輻射貼片與所述第二輻射貼片中心對稱；所述第二支撐層朝向所述基板的一面設置有第一接地層，所述第一接地層上設置有耦合縫隙，所述第二支撐層背離所述基板的一面設置有通過所述耦合縫隙與所述第一輻射貼片和第二輻射貼片耦合連接的饋線；所述積體電路分別與所述第一接地層及饋線電連接。

在上述具體技術方案中，通過使用4層基板進行製作，第一層銅片與第二層銅片均放置天線貼片單元，第三層作接地面並從中開了耦合縫隙，作為第四層結合積體電路及焊盤和饋線饋入用，利用第三層的耦合縫隙，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，具體的，饋線兩端形成電磁場，其中的電場分量通過耦合縫隙，在兩層輻射貼片感應出分佈電流，分佈電流形成電磁波輻射出去；並且減少了寄生影響，同時層疊結構增加了天線有效面積，實現的低的寄生參數以及高的有效面積為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。且在製作時，無需額外的製程，只需使原始的印刷電路基板的製程程式。

考慮實際加工的情況，具體的，實際基板加工的時候需要考慮每一層的覆銅率，覆銅率較高時，擁有更佳的加工可靠性與一致性。因此，在一種可能的設計中，還包括設置在所述第一支撐層且與所述第一輻射貼片同層設置的第二接地層，所述第二接地層與所述第一輻射貼片之間具有第一間隙；且所述第二接地層與所述第一接地層電連接。即在第一支撐層上覆銅，第一輻射貼片通過刻蝕等常見的加工工藝在覆銅上形成。

更進一步的，還包括設置在所述基板上且與所述第二輻射貼片同層設置的第三接地層，所述第三接地層與所述第二輻射貼片之間具有第二間隙，且所述第三接地層與所述第一接地層導電連接。在不同基板上設置的接地層以增加基板上的覆銅率，且在採用上述結構還會起到以下的作用：1、實際晶片集成時可以起到改善EMC性能的作用；2、加強天線正向輻射特性，模擬證明帶上接地層包圍後模擬增益比沒有地銅片包圍的情況提升0.5dB。

在具體設置時，所述第一間隙和所述第二間隙的寬度均大於等於所述貼片天線單元最大工作頻率波長的十分之一波長。

第一接地層與積體電路導電連接具體是通過第四接地層連連接的，具體為：還包括設置在所述第二支撐層上且與所述饋線同層設置的第四接地層，所述第四接地層與所述饋線之間具有第三間隙，且所述第一接地層通過所述第四接地層與所述積體電路導電連接。通過設置的第四接地層即增加了覆銅面積，又方便了與積體電路的連接。

在具體製作過程中，所述積體電路分別通過錫球與所述第四接地層和饋線連接。具有良好的連接效果。

作為一個較佳的實施例，第一支撐層、第二支撐層及基板的覆銅率介於50~90%。

其中的第一輻射貼片與第二輻射貼片之間採用中心對稱的方式排列，且第一輻射貼片與第二輻射貼片的面積比例介於0.9：1~1.2：1之間。

在一個可能的設計中，所述耦合縫隙的長度L的取值介於所述貼片天線單元最大功率頻率對應的電波長的三分之一波長~五分之一波長，所述耦合縫隙的最大寬度為L的0.75~1倍，所述耦合縫隙最小寬度為L的0.2~0.3倍。

在一個具體的結構中，所述耦合縫隙包括兩個平行的第一縫隙以及設置在所述兩個第一縫隙之間並將所述兩個第一縫隙連通的第二縫隙，且所述第一縫隙的長度方向垂直於所述第二縫隙的長度方向，所述饋線為矩形的銅片，所述饋線的長度方向垂直於所述第二縫隙的長度方向，且所述饋線在所述耦合縫隙所在平面上的垂直投影與所述第二縫隙交叉。

在具體選材時，所述第一支撐層、第二支撐層、基板及積體電路電晶體板均為樹脂基板。

第二方面，本發明實施例還提供了一種天線，該天線包括饋源，與所述饋源連通的樹狀分支，且每個分支的節點設置有功分器，位於樹狀分支的端部分支連接有上述任一項所述的貼片天線單元。

10‧‧‧貼片天線單元

1‧‧‧第一支撐層

11‧‧‧第一輻射貼片

12、22‧‧‧第二接地層

13‧‧‧第一間隙

20‧‧‧功分器

2‧‧‧基板

21‧‧‧第二輻射貼片

23‧‧‧第二間隙

30‧‧‧饋源

3‧‧‧第二支撐層

31‧‧‧第一接地層

32‧‧‧耦合縫隙

33‧‧‧饋線

34‧‧‧第四接地層

4‧‧‧積體電路

圖1為本發明實施例提供的貼片天線單元的立體圖；圖2為本發明實施例提供的貼片天線單元的主視圖；圖3a~3e為本發明實施例提供的貼片天線單元的右視圖；圖4為本發明實施例提供的貼片天線單元的另一結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的貼片天線單元的模擬結果；圖6為本發明實施例提供的貼片天線單元的三位元增益圖；圖7為本發明實施例提供的天線的結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的天線的模擬結果；圖9為本發明實施例提供的天線的三位元增益圖；圖10為本發明實施例提供的另一天線的結構示意圖；圖11為本發明實施例提供的天線的模擬結果；圖12為本發明實施例提供的天線的三位元增益圖。

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域的具有通常知識者在沒有做出進步性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供了一種貼片天線單元，該貼片天線單元包括第一支撐層，與所述第一支撐層層疊設置的基板，設置在所述基板背離所述第一支撐層一面的第二支撐層，設置在所述第二支撐層背離所述基板一面的積體電路，其中，第一支撐層上背離基板的一面貼附有第一輻射貼片；基板上背離第二支撐層的一面貼附有第二輻射貼片，且第一輻射貼片與第二輻射貼片中心對稱；第二支撐層朝向基板的一面設置有第一接地層，第一接地層上設置有耦合縫隙，第二支撐層背離基板的一面設置有通過耦合縫隙與所述第一輻射貼片和第二輻射貼片耦合連接的饋線；積體電路分別與第一接地層及饋線連接。

在上述具體實施例中，通過使用四層基板(第一支撐層、基板、第二支撐層、積體電路)進行製作，在第一支撐層和基板上分別設置的第一層銅片與第二層銅片均為天線輻射單元，第三層銅片(設置在第二支撐層上的銅片)作接地面並從中開了耦合縫隙，作為第四層結合積體電路及焊盤和饋線饋入用，第一輻射貼片和第二輻射貼片與饋線之間耦合連接，具體的，該耦合為利用第三層的耦合縫隙，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，在具體耦合連接時，饋線兩端形成電磁場，其中的電場分量通過耦合縫隙，在兩層輻射貼片感應出分佈電流，分佈電流形成電磁波輻射出去；並且減少了寄生影響，同時層疊結構增加了天線有效面積，實現的低的寄生參數以及高的有效面積為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。且在製作時，無需額外的製程，只需使原始的印刷電路基板的製程程式。

為了方便理解本發明實施例提供的貼片天線單元的理解，下面結合具體的實施例對其進行詳細的說明。

一併參考圖1及圖2，其中圖1示出了本發明實施例提供的貼片天線單元的結構示意圖，圖2示出了本發明實施例提供的貼片天線單元的分解示意圖。

本發明實施例提供天線結構由四層組成，分別為第一支撐層1、基板2、第二支撐層3及積體電路4。其中，第一支撐層1、基板2、第二支撐層3以及基層電晶體板的基板2均為樹脂材料以及比較薄的封裝基板(比如總厚度小於650um)中實現57-66GHz全頻段天線特性。

其中，第一輻射貼片11及第二輻射貼片21分別設置在第一支撐層1及基板2上背離第二支撐層3的一面，且第一輻射貼片11及第二輻射貼片21採用中心對稱的方式設置，具體的，如圖1所示，上下兩層輻射單元呈中心對稱，且在具體設置時，第一輻射貼片11和第二輻射貼片21可以採用不同的面積，其中，第一輻射貼片11與第二輻射貼片21的面積比例介於0.9：1~1.2：1之間，具體的如：0.9：1、0.95：1、1：1、1：1.1、1：1.2等任意介於1：1~1.2：1之間的比例。從而使得第一輻射貼片11和第二輻射貼片21可以在製作時出現細微的差別，降低製作時的工藝難度。採用兩層輻射貼片層疊增加了天線有效面積，為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。

其中的第二支撐層3作為接地，具體的，第二支撐層3朝向基板2的一面設置有第一接地層31，且第一接地層31上設置有耦合縫隙32，第二支撐層3背離基板2的一面設置有通過耦合縫隙32與所述第一輻射貼片11和第二輻射貼片21耦合連接的饋線33；在具體使用時，利用第三層的耦合縫隙32，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，並且減少了寄生影響，為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。

如圖3a~圖3e，圖3a~圖3e示出了不同耦合縫隙32的形狀。如圖3a所示，圖3a示出的耦合縫隙32為矩形，其長度為L，寬度為W，且在設置時，耦合縫隙32的長度L的取值介於貼片天線單元最大功率頻率對應的電波長的三分之一波長~五分之一波長，較佳的，長度L為貼片天線單元最大功率頻率對應的電波長的四分之一波長。如圖3b所示，圖3b示出的耦合縫隙32，其包括兩個平行的第一縫隙以及設置在所述兩個第一縫隙之間並將所述兩個第一縫隙連通的第二縫隙，且所述第一縫隙的長度方向垂直於所述第二縫隙的長度方向，且其長度為L，最大寬度為W1，最小寬度為W2。具體的，耦合縫隙32的長度L的取值介於貼片天線單元最大功率頻率對應的電波長的三分之一波長~五分之一波長，耦合縫隙32的最大寬度為L的0.75~1倍，如：：0.75倍、0.8倍、0.9倍、1倍等，耦合縫隙32最小寬度為L的0.2~0.3倍，如0.2倍、0.25倍、0.3倍。在耦合縫隙32與饋線33具體對應時，如圖3e所示，耦合縫隙32包括兩個平行的第一縫隙以及設置在兩個第一縫隙之間並將兩個第一縫隙連通的第二縫隙，且第一縫隙的長度方向垂直於第二縫隙的長度方向，饋線33為矩形的銅片，饋線的長度方向垂直於第二縫隙的長度方向，且饋線在耦合縫隙所在平面上的垂直投影與第二縫隙交叉。饋線33通過耦合縫隙32將信號饋入到第一輻射貼片和第二輻射貼片。

在具體設置時，如圖1所示，第一接地層31與積體電路4導電連接具體是通過第四接地層34連連接的，具體為：第二支撐層背離基板2的一面設置有第四接地層34，且第四接地層34與饋線33同層設置，且兩者之間具有第三間隙，且第一接地層31通過第二接地層22與積體電路4導電連接。通過設置的第四接地層34即增加了覆銅面積，又方便了與積體電路4的連接。通過設置的第四接地層34實現了接地與積體電路4的連接，且在具體連接時，積體電路4中的接地電路通過錫球與第四接地層34焊接連接。積體電路4中的饋線33路通過錫球與饋線33連接，保證了接地以及饋線33與積體電路4上的電路的連接的牢固程度以及導電的穩定性。

如圖4所示，圖4示出了本發明實施例提供的另一貼片天線單元的結構示意圖。

在圖4所示的結構中，第一輻射貼片11、第二輻射貼片21、接地連接，縫隙饋電以及積體電路4的結構以及連接方式與圖1中所示的貼片天線單元相同在此不再詳細贅述。

考慮實際加工的情況，具體的，實際基板2加工的時候需要考慮每一層的覆銅率，覆銅率較高時，擁有更佳的加工可靠性與一致性。因此，在一種可能的設計中，第一支撐層1背離基板2的一面設置有第二接地層12，且第二接地層12與第一輻射貼片11同層設置，第二接地層12與第一輻射貼片11之間具有第一間隙13，第二接地層12與第一接地層31導電連接。即在第一支撐層1上覆銅，第一輻射貼片11通過刻蝕等常見的加工工藝在覆銅上形成。

更進一步的，基板2背離第二支撐層3的一面設置有第二接地層22，第二接地層22與第一接地層31導電連接，第二接地層22與第二輻射貼片21同層設置，且兩者之間具有第二間隙23。在不同基板2上設置的接地層以增加基板2上的覆銅率，且在採用上述結構還會起到以下的作用：1、實際晶片集成時可以起到改善EMC(Electro magnetic compatibility的縮寫，即電磁相容性)性能的作用；2、加強天線正向輻射特性，模擬證明帶上接地層包圍後模擬增益比沒有設置的第一接地層31和第二接地層12包圍的情況提升0.5dB。

在具體設置時，第一間隙13和第二間隙23的寬度均大等於於貼片天線單元最大工作頻率波長的十分之一波長。

作為一個較佳的實施例，第一支撐層1、第二支撐層3及基板2的覆銅率介於50~90%。採用上述覆銅結構，便於第一輻射貼片11和第二輻射貼片21的加工，降低了加工的難度，同時，增設的第一接地層31和第二接地層12還可以有效的加強天線正向輻射特性。

如圖5和圖6所示，圖5示出了圖4所示結構的回波耗損的模擬結果，圖6示出了圖4所示結構的三位元增益圖。由圖5可以看出，可以注意到回損在-10dB以下的WiGiG頻寬，從54GHz到70GHz都符合，這代表此設計將有非常低的訊號損失，是個非常好的寬頻設計。

本發明實施例還提供了一種天線，該天線包括饋源30，與所述饋源30電連通的功率分配網路，所述功率分配網路包括多個上述任一項的貼片天線單元10。

其中的貼片天線單元10通過使用4層基板2進行製作，第一層銅片與第二層銅片均放置天線貼片單元，第三層作接地面並從中開了耦合縫隙32，作為第四層結合積體電路及焊盤和饋線饋入用，利用第三層的耦合縫隙32，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，具體的，饋線兩端形成電磁場，其中的電場分量通過耦合縫隙，在兩層輻射貼片感應出分佈電流，分佈電流形成電磁波輻射出去；並且減少了寄生影響，同時層疊結構增加了天線有效面積，實現的低的寄生參數以及高的有效面積為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。且在製作時，無需額外的製程，只需使原始的印刷電路基板2的製程程式。

如圖7和圖10所示，圖7和圖10分別示出了不同的樹狀結構。首先參考圖7，圖7示出了採用兩個貼片天線單元10的結構。在圖7中，饋源30連接一個功分器20，每個功分器20分別連接一個貼片天線單元10。如圖8和圖9所示，圖8示出了圖7所示結構的回波耗損的模擬結果，圖9示出了圖7所示結構的三位元增益圖。由圖8中的資料可以注意到回損在-10dB以下的頻寬從54GHz到70GHz都符合，這代表此設計將有非常低的訊號損失，是個非常好的寬頻設計。如圖 10所示，圖10示出了採用多個貼片天線單元10的結構示意圖。在圖10中，通過功分器20將線路進行分支，形成樹狀結構。具體的，如圖10所示，饋源30連接一個功分器20，該功分器20的輸出端分成兩支，每支分支在連接一個功分器20，功分器20的輸出端再分支，依次類推直至到最後的分支連接天線貼片單元。在採用上述結構時，如圖11和圖12所示，圖11示出了圖10所示結構的回波耗損的模擬結果，圖12示出了圖10所示結構的三位元增益圖。可以注意到回損在-10dB以下的頻寬從55GHz到70GHz都符合，這代表此設計將有非常低的訊號損失，是個非常好的寬頻設計。

此外，本發明實施例還提供了一種通信設備，該通信設備包括上述的天線。

在上述具體技術方案中，通過使用四層基板2進行製作，第一層銅片與第二層銅片均放置天線貼片單元，第三層作接地面並從中開了耦合縫隙32，作為第四層結合積體電路及焊盤和饋線饋入用，利用第三層的耦合縫隙32，可將57-66GHz全頻段的高頻信號很有效的饋入到上兩層的天線作輻射，並且減少了寄生影響，同時層疊結構增加了天線有效面積，實現的低的寄生參數以及高的有效面積為天線帶來了高頻寬高增益的性能效果。且在製作時，無需額外的製程，只需使原始的印刷電路基板的製程程式。

顯然，本領域的通常知識者可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

Claims

一種貼片天線單元，其包括一第一支撐層，與該第一支撐層層疊設置的一基板，設置在該基板背離該第一支撐層一面的一第二支撐層，設置在該第二支撐層背離該基板一面的一積體電路，其中，該第一支撐層上背離該基板的一面貼附有一第一輻射貼片；該基板上背離該第二支撐層的一面貼附有一第二輻射貼片，且該第一輻射貼片與該第二輻射貼片中心對稱；該第二支撐層朝向該基板的一面設置有一第一接地層，該第一接地層上設置有一耦合縫隙，該第二支撐層背離該基板的一面設置有通過該耦合縫隙與該第一輻射貼片和該第二輻射貼片耦合連接的一饋線；該積體電路通過第四接地層與該第一接地層電連接，並且，該積體電路與該饋線電連接；其中，該耦合縫隙的長度L的取值介於該貼片天線單元的工作頻率對應的電波長的三分之一至五分之一之間，該耦合縫隙的最大寬度為L的0.75~1倍，該耦合縫隙最小寬度為L的0.2~0.3倍。
如申請專利範圍第1項所述的貼片天線單元，其中，還包括設置在該第一支撐層且與該第一輻射貼片同層設置的一第二接地層，該第二接地層與該第一輻射貼片之間具有一第一間隙；且該第二接地層與該第一接地層電連接。
如申請專利範圍第2項所述的貼片天線單元，其中，還包括設置在該基板上且與該第二輻射貼片同層設置的一第三接地層，該第三接地層與該第二輻射貼片之間具有一第二間隙，且該第三接地層與該第一接地層導電連接。
如申請專利範圍第3項所述的貼片天線單元，其中，該第一間隙和該第二間隙的寬度均大於等於該貼片天線單元最大工作頻率波長的十分之一波長。
如申請專利範圍第3項所述的貼片天線單元，其中，還包括設置在該第二支撐層上且與該饋線同層設置的一第四接地層，該第四接地層與該饋線之間具有一第三間隙，且該第一接地層通過該第四接地層與該積體電路導電連接。
如申請專利範圍第5項所述的貼片天線單元，其中，該積體電路分別通過錫球與該第四接地層和該饋線連接。
如申請專利範圍第1~6項任一項所述的貼片天線單元，其中，該第一輻射貼片與該第二輻射貼片的面積比例介於0.9：1~1.2：1之間。
如申請專利範圍第1項所述的貼片天線單元，其中，該耦合縫隙包括兩個平行的第一縫隙以及設置在該兩個第一縫隙之間並將該兩個第一縫隙連通的第二縫隙，且該第一縫隙的長度方向垂直於該第二縫隙的長度方向，該饋線為矩形的銅片，該饋線的長度方向垂直於該第二縫隙的長度方向，且該饋線在該耦合縫隙所在平面上的垂直投影與該第二縫隙交叉。
一種天線，其特徵在於，包括饋源，與該饋源電連通的功率分配網路，該功率分配網路包括多個如申請專利範圍第1~8項任一項所述的貼片天線單元。