本發(fā)明涉及天線設計，具體為適用于5g通信的寬帶封裝天線單元和陣列。

背景技術：

1、隨著5g技術的快速發(fā)展，對于天線系統(tǒng)的設計要求不僅包括高性能和多功能，還希望能夠同時實現(xiàn)小尺寸、高集成度和低成本等方面的優(yōu)勢。封裝天線由于能夠?qū)⑻炀€集成到攜帶芯片的封裝內(nèi)，從而提高系統(tǒng)集成度減少損耗，并提高系統(tǒng)的性能，使得天線部分的增益更高，輻射效率更高，且兼顧了尺寸、天線性能及成本。因此，在5g通信領域受到廣泛關注。同時，在毫米波頻段，天線的帶寬尤其關鍵，特別是在追求高數(shù)據(jù)傳輸率的應用場景中?，F(xiàn)有的封裝天線所固有的帶寬限制為毫米波天線的進一步發(fā)展帶來了技術挑戰(zhàn)。為此，研究者們提出了一些增加天線帶寬的方法，其中包括改變封裝材料、堆疊貼片天線結(jié)構、超表面技術以及采用l形探針饋電技術等。

2、微帶貼片天線具有結(jié)構簡單、成本低、剖面小等優(yōu)點，在毫米波系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。同時，采用堆疊結(jié)構設計的微帶貼片天線能夠有效的提升天線帶寬，并保持小的天線尺寸。天線增益是天線設計過程中的重要技術指標，其增益的高低直接影響天線的輻射性能。由于寬帶天線的技術特殊性，因此關鍵在于如何改進天線結(jié)構，以保持在寬頻帶內(nèi)的高增益，這是提升天線輻射能力的關鍵。

3、通常情況下，天線的電特性，如駐波比、方向性參數(shù)、輻射方向圖和極化特性，都會隨著頻率的變化而變化。因此，天線的帶寬取決于這些特性在頻率上的變化。為了確定天線的工作頻帶，通常會選擇能夠滿足所有電特性要求的頻帶交集。一般來說，如果天線的相對帶寬在10%到25%之間，那么這種天線被認為是寬帶天線。當天線的相對帶寬超過25%時，通常稱之為超寬帶天線。相對帶寬計算公式如下：

4、；

5、其中，和分別為帶寬內(nèi)最高頻率和最低頻率。

6、現(xiàn)有技術及其缺點如下：

7、1、2017年12月收編于國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與傳播》雜志第65卷，第12期第6372頁-6379頁的文章《面向ka波段5g通信應用的封裝天線設計考量》介紹了一種適用于ka波段的封裝天線，它由十一個介質(zhì)基板和十四個層金屬層組成，采用多層介質(zhì)基板進行堆疊設計。實現(xiàn)了4.9%的-10db阻抗帶寬，僅實現(xiàn)了3.8dbi的天線增益。此外，該天線采用hdi工藝制作，這增加了天線加工成本以及加工難度。

8、2、2016年3月收編于國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與傳播》雜志第64卷，第3期第2908頁-2921頁的文章《低旁瓣基片集成波導天線陣列及其在毫米波手機終端中的應用——基于寬帶不等分饋電網(wǎng)絡的設計》介紹了一種適用于毫米波設備的28ghz寬帶基片集成波導（siw）天線陣列，天線陣列通過堆疊三個介質(zhì)基板和銅板的多層結(jié)構來實現(xiàn)，并提出了一種8路集成電路波導饋電網(wǎng)絡拓展帶寬，僅實現(xiàn)了8.08%的阻抗帶寬，天線增益13.97dbi，但是該天線尺寸為69.72×63.21×2.024mm3，尺寸較大，不適合與射頻芯片集成。

9、3、2017年收編于國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與無線傳播》雜志第16卷，第221頁–231頁的文章《基于gaas放大器的陶瓷封裝ka波段緊湊型有源集成天線》介紹了一種ka波段有源集成封裝天線，采用密封qfn封裝工藝進行設計和制造，該天線僅實現(xiàn)了10%的阻抗帶寬，帶寬較窄。此外，采用密封qfn封裝工藝，加工精度要求較高，且加工成本和加工復雜度更高。

10、4、2019年1月收編于國際電子電氣工程師協(xié)會《天線與傳播》雜志第67卷，第221頁–231頁的文章《用于移動衛(wèi)星的低成本ka波段圓極化無源相控陣天線》介紹了一種ka波段圓極化無源相控陣封裝天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)由三層介質(zhì)基板和三層金屬層構成，頂層的橢圓形貼片具有tm11e,o奇模和偶模兩個主要的諧振模式，在不同頻率處產(chǎn)生諧振以拓展帶寬，但該天線僅獲得了約3.3%的阻抗帶寬，最大增益為7.4dbi，帶寬較窄。

11、術語解釋：

12、5g通信：第五代移動通信技術（5th?generation?mobile?communicationtechnology，簡稱5g）是一種具有高速率、低時延和大連接等特點的新一代寬帶移動通信技術，5g通訊設施是實現(xiàn)人機物互聯(lián)的網(wǎng)絡基礎設施。國際電信聯(lián)盟（itu）定義了5g的三大類應用場景，即增強型移動寬帶（embb）、超可靠低時延通信（urllc）和海量機器通信（mmtc）。

13、寬帶天線：天線的電特性在一個較寬的頻段內(nèi)保持不變或變化較小的天線稱為寬頻帶天線，通常用相對帶寬來定義，即，通常認為10%≤≤25%的天線，就屬于寬頻帶天線。對于相對帶寬≥25%的天線，則稱為超寬頻帶天線。但通常將寬頻帶天線和超寬頻帶天線統(tǒng)稱為寬帶天線。

14、封裝天線：封裝天線（antenna-in-package，aip）是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術。將天線與射頻收發(fā)系統(tǒng)集成一體，從而成為一個標準的表面貼裝器件。

15、回波損耗（s11）：指的是入射波功率與反射波功率之比。單位為db，其大小取決于傳輸系統(tǒng)與負載共同作用后反映到輸入端口處的反射狀況。通常用來描述天線的反射特性，衡量天線的反射損耗程度。

16、增益：指在相同輸入功率條件下，實際天線與理想輻射單元在空間同一點處產(chǎn)生的信號功率密度之比。它量化了天線將輸入功率集中輻射的能力。增益與天線的方向圖密切相關，主瓣越窄、副瓣越小，增益就越高。

17、輻射方向圖：天線輻射方向圖是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖，通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于5g通信的寬帶封裝天線單元和陣列，具有尺寸小、寬帶寬、結(jié)構簡單和成本較低，解決了現(xiàn)有的封裝天線尺寸大、窄帶寬、結(jié)構復雜和加工成本過高等問題。技術方案如下：

2、適用于5g通信的寬帶封裝天線單元，包括由下至上設置的底部饋線層、第一介質(zhì)層、接地板、第二介質(zhì)層、第一子貼片、第三介質(zhì)層和第二子貼片；

3、所述接地板上設有焊盤，第一介質(zhì)層上設置有連接到焊盤下方的第一金屬過孔，第二介質(zhì)層上設置有連接到焊盤上方的第二金屬過孔；第一子貼片設置于第二介質(zhì)層之上（第二子貼片設置于第三介質(zhì)層之上）；底部饋線層分別通過第一金屬過孔和第二金屬過孔向第一子貼片饋電；

4、所述接地板上的焊盤的外緣還開挖有圓環(huán)，以實現(xiàn)第一金屬過孔和第二金屬過孔與接地板之間的隔離；

5、所述第二子貼片設置于第三介質(zhì)層之上，其尺寸與第一子貼片相等；第二子貼片上還開設有對稱矩形槽。

6、進一步的，所述第一子貼片和第二子貼片的長度與寬度分別為：

7、（1）；

8、（2）；

9、（3）

10、（4）；

11、（5）

12、其中，為光速，為相對介電常數(shù)，為介質(zhì)內(nèi)的導波波長，為有效介電常數(shù)，為介質(zhì)基板厚度，為輻射單元的縫隙長度；為工作頻率。

13、更進一步的，所述對稱矩形槽為四個分別平行于第二子貼片四條邊的條形孔，所述條形孔長度和寬度分別為0.8mm和0.3mm。

14、更進一步的，第一金屬過孔和第二金屬過孔的半徑 r為0.1mm，所述焊盤的半徑與圓環(huán)的半徑分別為0.13mm和0.2mm。

15、一種基于適用于5g通信的寬帶封裝天線單元的天線陣列，包括由下至上設置的微帶線饋電網(wǎng)絡層、第一介質(zhì)層、接地板、第二介質(zhì)層、第一子貼片、第三介質(zhì)層和第二子貼片；四個天線單元以1×4的方式排列，即四個第一子貼片排列于第二介質(zhì)層之上，四個第二子貼片排列于第三介質(zhì)層之上；

16、還包括位于第一介質(zhì)層下方的接地共面波導到微帶線的過渡結(jié)構和一分四對稱結(jié)構的微帶線饋電網(wǎng)絡；

17、所述過渡結(jié)構位于天線單元排列區(qū)域旁的區(qū)域，包括設置于第一介質(zhì)層下方的第一外接金屬貼片和第二外接金屬貼片，以及設置在第三介質(zhì)層上方的第三外接金屬貼片；

18、所述第一外接金屬貼片和第二外接金屬貼片中間留有通道，通道外緣為信號輸入端口；第一外接金屬貼片、第二外接金屬貼片和第三外接金屬貼片分別通過多個金屬化通孔與接地板連接；

19、所述微帶線饋電網(wǎng)絡設置于第一介質(zhì)層的下方為天線陣列進行饋電，包括第一微帶線、第二微帶線、第三微帶線、第四微帶線、第五微帶線、第六微帶線和第七微帶線；

20、所述第一微帶線穿過第一外接金屬貼片和第二外接金屬貼片之間的通道，一端連接到信號輸入端口，另一端向天線單元方向豎向延伸，并垂直連接到橫向設置的第二微帶線的中點，第二微帶線的右端連接橫向設置的第三微帶線的一端，第三微帶線的另一端連接豎向設置的第四微帶線的底端，第四微帶線的頂端連接到橫向設置的第五微帶線的中點，第五微帶線的兩端分別連接到兩條l型的第六微帶線的長邊端部，兩條第六微帶線的短邊端部分別連接到兩條豎直設置的第七微帶線的底端，第七微帶線的頂端為饋電輸出端口；第二微帶線和第五微帶線左右兩端連接的結(jié)構相對稱。

21、進一步的，第一微帶線、第三微帶線、第四微帶線和第七微帶線為阻抗＝50ω的微帶線；第一微帶線的長度h1為13.8mm，第三微帶線的長度h3為5.16mm，第四微帶線的長度h4為1.8mm，第七微帶線的長度h5為2mm；第一微帶線、第三微帶線、第四微帶線和第七微帶線的線寬均為0.39mm；第二微帶線為阻抗＝50ω到阻抗＝70.7ω的線性漸變線，第二微帶線的寬度為0.22mm，第二微帶線的長度h2為1.7mm；第五微帶線為阻抗＝100ω到阻抗＝70.7ω的線性漸變線，第五微帶線的長度h7為1.6mm，第五微帶線的寬度為0.1mm；第六微帶線為阻抗＝70.7ω到阻抗＝50ω的線性漸變線，第六微帶線的兩段長度h6和h8分別為1.72mm和0.69mm，第六微帶線的寬度為0.22mm。

22、更進一步的，相鄰兩個天線單元之間的間距＝7.2mm；整個天線陣列的長度和寬度分別為36.6mm和21.4mm。

23、更進一步的，所有微帶線的拐角處均設有切角。

24、更進一步的，所述信號輸入端口采用2.92mm的接口，所述過渡結(jié)構所在的區(qū)域還設有用于接頭的固定的第一通孔和第二通孔。

25、本發(fā)明的有益效果是：

26、1、本發(fā)明采用了堆疊貼片天線方式提升帶寬，設計了三層介質(zhì)層、四層金屬層的天線結(jié)構；通過在該貼片天線單元的頂層增加了一層第二子貼片以拓展帶寬，并引入了對稱矩形槽以改善天線的回波損耗和帶寬，實現(xiàn)寬帶性能。

27、2、本發(fā)明在天線單元基礎上構建了1×4的天線陣以提高增益，由四分之一阻抗變換線構成的微帶線饋電網(wǎng)絡從天線底部的微帶線饋電，并通過第一金屬過孔和第二金屬過孔向輻射貼片饋電，結(jié)構簡單。

28、3、本發(fā)明采用多層印制電路板（printed?circuit?board，pcb）工藝制造，成本低；符合在5g通信系統(tǒng)進行應用的經(jīng)濟價值，同時，可以輕松地于射頻芯片進行集成。