封装双极化天线阵列

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种封装双极化天线阵列。

背景技术

封装天线(Antenna-in-Package)通过封装工艺将天线与裸片(Die)集成在表贴封装中，实现系统集成。封装天线可以大大减小系统的尺寸，减小芯片与天线间的插入和匹配损耗。雷达系统一般至少需要一个发射天线(TX-Ant)和一个接收天线(RX-Ant)以组成天线阵列。对于同时收发的雷达或通信系统而言，收发天线之间的隔离度尤为重要，收发电磁能量的直接泄露会导致系统饱和。因此，通常封装天线阵列设计时需要尽可能拉开发射和接收天线的间距，或者添加隔离结构以提高收发天线的隔离度。

现有各厂商的多发多收的多封装天线雷达阵列设计采用收发天线之间分开排布的方式，天线之间间距和位置的选择影响方向图和隔离度性能，天线单元之间间距较大，在封装基板上占据大量空间，增加基板的面积成本，不利于整体系统的小型化；封装面积和收发天线隔离度存在折中关系，实现高收发隔离度通常需要拉远收发单天线的间距或者添加电磁结构，这都会大大增加封装的面积，达到超过35dB的收发隔离度性能的难度较高。并且，由于发射和接收天线在封装基板上的物理位置不同、天线单元自身E面和H面的辐射性质不同，方向图的一致性通常较差，可能会出现较大的波动。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种封装双极化天线阵列，以解决现有技术中多发多收的多封装天线存在的成本高、面积大、收发天线隔离度差、收发天线系统方向图一致性差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种封装双极化天线阵列，包括阵列排布的至少一个天线模块，每一所述天线模块可被激励出第一辐射电磁模式和/或第二辐射电磁模式，且至少一个所述天线模块可被同时激励出所述第一辐射电磁模式和第二辐射电磁模式；

其中，每一所述天线模块的所述第一辐射电磁模式的极化方向与所有所述天线模块的所述第二辐射电磁模式的极化方向相互正交设置，每一所述天线模块的所述第二辐射电磁模式的极化方向与所有所述天线模块的所述第一辐射电磁模式的极化方向相互正交设置。

在一个或多个实施方式中，包括第一介质板，所述第一介质板包括相背设置的第一表面和第二表面，每一所述天线模块包括布置在所述第一表面的一个辐射贴片，所述辐射贴片上布置有第一馈电点和/或第二馈电点，以使所述辐射贴片可被激励出第一辐射电磁模式和/或第二辐射电磁模式。

在一个或多个实施方式中，所述至少一个天线模块沿所述第一辐射电磁模式的极化方向和/或所述第二辐射电磁模式的极化方向均匀间隔阵列排布设置。

在一个或多个实施方式中，包括沿所述第一辐射电磁模式的极化方向均匀间隔排列呈1*N直线阵列的多个所述天线模块，相邻所述辐射贴片的步长间距为真空半波长。

在一个或多个实施方式中，包括沿所述第二辐射电磁模式的极化方向均匀间隔排列的M个所述1*N直线阵列以构成M*N平面阵列。

在一个或多个实施方式中，所述M*N平面阵列中，至少一对在所述第二辐射电磁模式的极化方向上相邻的所述天线模块相互并联微波功率合成。

在一个或多个实施方式中，所述M*N平面阵列中，至少一对相邻的所述1*N直线阵列对应位置的所述天线模块相互并联微波功率合成；相互并联微波功率合成的相邻所述1*N直线阵列之间的步长间距大于真空半波长并小于真空波长。

在一个或多个实施方式中，所述M*N平面阵列中，任意相邻的两个所述1*N直线阵列之间相互独立且非并联微波功率合成设置；相邻所述1*N直线阵列之间的步长间距为真空半波长。

在一个或多个实施方式中，所述辐射贴片为正方形贴片，且所述辐射贴片的相邻两边分别与所述第一辐射电磁模式的极化方向和所述第二辐射电磁模式的极化方向平行。

在一个或多个实施方式中，所述辐射贴片包括相互垂直的第一中心轴和第二中心轴，所述第一馈电点布置在所述第一中心轴上偏移中心的位置，所述第二馈电点布置在所述第二中心轴上偏移中心的位置。

在一个或多个实施方式中，每一所述天线模块还包括布置在所述第二表面的寄生贴片。

在一个或多个实施方式中，还包括：

第二介质板，布置在所述第一表面；

第三介质板，布置在所述第二介质板背离所述第一介质板一面，所述第三介质板包括面向所述第一介质板的第三表面以及背离所述第一介质板的第四表面；

芯片，布置在所述第四表面，所述芯片包括接收通道和/或发送通道；

每一所述天线模块还包括：

寄生贴片，布置在所述第二表面；

馈电网络，布置在所述第四表面与所述芯片连接；

第一馈电柱和/或第二馈电柱，贯穿所述第二介质板和第三介质板设置，所述第一馈电柱两端分别连接所述馈电网络和所述第一馈电点，且第一馈电柱通过所述馈电网络与所述接收通道连接，所述第二馈电柱两端分别连接所述馈电网络和所述第二馈电点，且所述第二馈电柱通过所述馈电网络与所述发送通道连接。

在一个或多个实施方式中，还包括：

第一参考地，布置在所述第一表面且环绕所述辐射贴片设置；

第二参考地，布置在所述第二表面且环绕所述辐射贴片在所述第二表面的正投影设置；

第三参考地，布置在所述第三表面，所述第三参考地上布置有用于避让所述第一馈电柱和/或第二馈电柱的避让孔；

第四参考地，布置在所述第四表面；

多个连接柱，贯穿所述第一介质板、第二介质板和第三介质板设置以连接所述第一参考地、第二参考地、第三参考地和第四参考地，所述多个连接柱均匀环绕所述辐射贴片设置以形成隔离墙。

区别于现有技术，本申请的有益效果是：

本申请的天线阵列在单一天线口径下实现了收发双工，大大缩减的天线的占地面积；

本申请的天线阵列由于交叉线极化的正交激励特性，使得收发端口具备高隔离度的特性；

本申请的天线阵列对于交叉线极化激励的单一辐射贴片，其发射端口的E面对应于接收端口的H面、发射端口的H面对应于接收端口的E面，两者辐射性质的不同可以被抵消；并且由于发射和接收使用同一天线口径，物理位置相同，因此收发方向图的物理位置效应也可以忽略，收发天线合成方向图的一致性很好。

附图说明

图1是本申请封装双极化天线阵列一实施方式的示意图；

图2是本申请封装双极化天线阵列另一实施方式的示意图；

图3是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图；

图4是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图；

图5是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图；

图6是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图；

图7是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图；

图8是本申请天线阵列一实施方式的侧视结构示意图；

图9是本申请天线阵列一实施方式的立体结构示意图；

图10是本申请天线模块一实施方式的三维电磁场仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

在多发多收的封装天线阵列中，现有技术采用收发天线之间分开排布的方式，天线之间间距和位置的选择影响方向图和隔离度性能。

天线单元之间间距较大，在封装基板上占据大量空间，增加基板的面积成本，不利于整体系统的小型化；封装面积和收发天线隔离度存在折中关系，实现高收发隔离度通常需要拉远收发单天线的间距或者添加电磁结构，这都会大大增加封装的面积，达到超过35dB的收发隔离度性能的难度较高。并且，由于发射和接收天线在封装基板上的物理位置不同、天线单元自身E面和H面的辐射性质不同，方向图的一致性通常较差，可能会出现较大的波动。

为了解决上述问题，申请人开发了一种基于单天线双极化作为设计单元构建的封装双极化天线阵列，有效提高了收发天线之间的隔离度问题，并显著减少了封装面积和成本，在极小的封装尺寸下实现较高的射频系统性能。

具体地，请参阅图1，图1是本申请封装双极化天线阵列一实施方式的示意图。

如图1所示，该封装双极化天线阵列包括沿x轴依次阵列排列的N个天线模块，该N个天线模块组成1*N直线阵列。

具体地，该封装双极化天线阵列包括第一介质板10，每个天线模块包括布置在第一介质板10上的一个辐射贴片20，每个辐射贴片20上布置有第一馈电点RX和第二馈电点TX。

第一馈电点RX用于连接芯片的接收通道，以激励出第一辐射电磁模式Er；第二馈电点TX用于连接芯片的发送通道，以激励出第二辐射电磁模式Et。

第一辐射电磁模式Er的极化方向与x轴平行，第二辐射电磁模式Et的极化方向与y轴平行。

由于每个天线模块都同时激励出两个的辐射电磁模式，可以分别对应于射频收发天线的发射和接收通道。并且，由于两个的辐射电磁模式的正交性，在同一天线口径下两个辐射电磁模式可以具有很好的隔离度，减少了射频芯片50发射通道到接收通道射频能量直接馈通的造成的串扰。

在同一天线口径下实现了收发双工，相对于传统的单天线仅激励单一辐射电磁模式需要接收天线和发送天线分立并有一定间隔的天线，上述实施方式至少节约了一半以上的封装天线口径面积。

特别的，在1*N直线阵列中，每一个天线模块的第一辐射电磁模式Er的极化方向与所有的天线模块的第二辐射电磁模式Et的极化方向均正交设置，每一个天线模块的第二辐射电磁模式Et的极化方向与所有的天线模块的第一辐射电磁模式Er的极化方向均正交设置，能够保证整个阵列中两种电磁模式的隔离度。

为了实现更高的方向性增益和更均衡的封装布局，本实施方式中辐射贴片20可以是正方形，其相邻的两边可以分别与第一辐射电磁模式Er的极化方向和第二辐射电磁模式Et的极化方向平行。

在其他实施方式中，辐射贴片20也可以采用其他形状，例如圆形、长方形、菱形或不规则图形，只需要保证第一辐射电磁模式Er的极化方向和第一辐射电磁模式Er的极化方向的正交性，也能够实现本实施方式的效果。

在本实施方式中，为了获得正常的角度测量性能，可以使相邻的第一馈电点RX的间距为半波长。具体地，可以使在第一辐射电磁模式Er的极化方向上相邻的辐射贴片20的步长间距D1为半波长。

特别的，上述图1中第一馈电点RX和第二馈电点TX的位置并不代表对馈电点的位置的限定，在保证第一辐射电磁模式Er的极化方向和第二辐射电磁模式Et的极化方向的正交性的前提下，第一馈电点RX和第二馈电点TX的位置可以任意选取。为了保证两个电磁模式的极化方向的正交性，优选，第一馈电点RX和第二馈电点TX可以分别布置在相互垂直的第一中心轴和第二中心轴上，其中，第一馈电点RX可以布置在第一中心轴上偏移中心的位置，第二馈电点TX可以布置在第二中心轴上偏移中心的位置。

在另一个实施方式中，为了在竖直维度上实现较窄的波束，提高整体线性阵列的增益和抗干扰能力，本申请的天线阵列还可以是多个1*N阵列的多天线级联拓展结构。请参阅图2，图2是本申请封装双极化天线阵列另一实施方式的示意图。

如图2所示，该天线阵列包括沿y轴均匀间隔排列的K个1*N阵列，每个相邻的1*N阵列对应位置的天线模块均并联微波功率合成设置。具体地，在Y轴方向上，相邻的两个天线模块的第一馈电点RX均并联微波功率合成，相邻的两个天线模块的第二馈电点TX也均并联微波功率合成设置，从而得到包括N*2个极化端口的K*N平面阵列。

通过将1*N直线阵列在竖直维度上拓展成K行，在Y轴方向上每一列的天线模块的第一辐射电磁模式Er可以通过功率合成网络进行合成，每一列的天线模块的第二辐射电磁模式Et可以通过功率合成网络进行合成，可以使得波束宽度缩减到1/K，并提高天线模块的增益。

本实施方式中，在X轴方向上，相邻辐射贴片20的步长间距D1可以是真空半波长；在Y轴方向上，相邻辐射贴片20的步长间距D2也可以是真空半波长。

在一些实施方式中，为了取得更高的增益，还可以增大级联方向上相邻辐射贴片20的间距，即增大Y轴方向上的相邻辐射贴片20的步长间距D2，使相邻辐射贴片20的步长间距D2大于半波长但小于一个波长，以防止出现栅瓣。

特别的，图中两个电磁模式合成后的发送通道和接收通道均位于上方仅是为了标注方便，并非对功率合成路径的限定。实际应用可以根据射频芯片裸片的位置合理安排各个收发通道功率合成的路径，优化封装设计和射频性能。

考虑到天线布置的紧凑性，最大化利用封装空间，上述各实施方式中，天线阵列的多个天线模块沿第一辐射电磁模式Er的极化方向和第二辐射电磁模式Et的极化方向的均匀间隔排列设置。在其他实施方式中，天线阵列的多个天线模块也可以沿其他任意方向排列，能够保证每一天线模块的第一辐射电磁模式Er的极化方向与其他所有天线模块的第一辐射电磁模式Er的极化方向相互正交，每一天线模块的第一辐射电磁模式Er的极化方向与其他所有天线模块的第二辐射电磁模式Et的极化方向相互正交即可，均能够实现本实施方式的效果。

上述实施方式中，在K*N平面阵列中，Y轴方向上的每一列天线模块的第一馈电点RX均并联微波功率合成，每一列天线模块第二馈电点TX均并列微波功率合成，从而能够提高增益，并收窄波束。在其他实施方式中，Y轴方向上每一列天线模块也可以并不都并联微波功率合成，例如，可以是仅Y轴上相邻的两个天线模块并联微波功率合成，或者，也可以是其他任意多组相邻的两个天线模块并联微波功率合成，或者，也可以是仅相邻的两个1*N直线阵列并联微波功率合成，其他的天线模块之间可以保持相互独立状态，或者，也可以是所有天线模块之间均相互独立设置，均能够实现本实施方式的效果。

具体地，请参阅图3，图3是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图。

如图3所示，天线阵列包括沿y轴均匀间隔排列的M个1*N阵列，每个相邻的1*N阵列均相互独立设置，非并联微波功率合成，从而构成包括M*N*2个极化端口的M*N平面阵列。

在本实施方式中，通过相互独立阵列的M个1*N阵列，能够实现提高天线阵列在x轴方向和y轴方向上的角度分辨率及信噪比的目的。

本实施方式中，在X轴方向上，相邻辐射贴片20的步长间距D1可以是真空半波长；在Y轴方向上，相邻辐射贴片20的步长间距D2也可以是真空半波长。

应当说明的是，由于本实施方式中由于沿y轴排列的1*N阵列之间相互独立设置，因此其并不会随着间距D2的增大取得更高的增益。

上述各实施方式介绍了在平面阵列情况下，所有相邻直线阵列均相互并联微波功率合成，以及所有相邻直线阵列均相互独立的两种极端的实施方式；在实际应用时可以基于实际工况需求，控制任意两个或多个天线模块的相互并联微波功率合成，从而提高增益。

上述各实施方式中，每一天线阵列均包括多个天线模块，在又一个实施方式中，天线阵列也可以仅包括一个天线模块，请参阅图4，图4是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图。如图4所示，单天线模块的天线阵列也能够保证收发天线之间的隔离度，并减少了一半封装面积。

进一步的，上述各实施方式中，每一天线模块均同时第一馈电点RX和第二馈电点TX，以实现收发双工；在其他实施方式中，也可以基于实际工况需求调整部分天线模块的馈电点数量，例如，可以使部分天线模块仅布置第一馈电点RX以单一实现接收功能，也可以使部分天线模块仅布置第二份馈电TX以单一实现发送功能。

具体地，请参阅图5，图5是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图。如图5所示，该天线阵列包括两个沿x轴方向间隔排列的天线模块组成1*2阵列。其中一个天线模块的辐射贴片20上布置有第一馈电点RX1和第二馈电点TX，另一个天线模块上仅布置有第一馈电点RX2，从而构成1发射2接收的封装天线。

请参阅图6，图6是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图。如图5所示，该天线阵列是由两个图4所示的1*2阵列沿y轴方向间隔排列得到的2*2阵列，两个1*2阵列相互级联，即并联微波功率合成。

在级联方向，即y轴方向上，两个天线模块的第一馈电点RX1可以级联，两个天线模块的第二馈电点TX可以级联；另两个天线模块的第一馈电点RX2可以级联，从而构成1发射2接收的封装天线。

在上述实施方式中，双极化的两个天线模块布置在级联方向上的相邻位置；在其他实施方式中，双极化的两个天线模块也可以布置在对角位置，并且相互独立设置，请参阅图7，图7是本申请封装双极化天线阵列又一实施方式的示意图。

如图7所示，该天线阵列包括四个天线模块，四个天线模块沿x轴和y轴排列呈2*2的阵列结构。其中，一个天线模块布置有第一馈电点RX1和第二馈电点TX1，与其对角的另一个天线模块布置有第一馈电点RX3和第二馈电点TX2，其他两个天线模块仅布置有第一馈电点RX2、RX4，构成2发射4接收的封装天线。本实施方式的天线阵列相对于图5所示的天线阵列，能够提高x轴方向和y轴方向上的角度分辨率及信噪比。

在图5至图7所示的各实施方式中，相邻辐射贴片20的间距设计可以参照图1至图3所示的各实施方式，即为了获得正常的角度测量性能，可以使相邻的第一馈电点RX的间距为半波长。

具体地，可以使在第一辐射电磁模式Er的极化方向上相邻的辐射贴片20的步长间距D1为半波长；在第二辐射电磁模式Et的极化方向上相邻的辐射贴片20的步长间距D2为半波长。

在一些实施方式中，为了取得更高的增益，还可以增大级联方向上相邻辐射贴片20的间距，如图6中的步长间距D2，使相邻辐射贴片20的步长间距大于半波长但小于一个波长，以防止出现栅瓣。应当说明的，增大级联方向上相邻辐射贴片20的间距以获得更高的增益同样适用于图2所示的实施方式；但图7所示的实施方式中，由于沿y轴排列的两个1*2阵列之间并不相互级联，因此其并不会随着间距D2的增大取得更高的增益。

另外，在上述各实施方式中，在级联方向上，即上述各实施方式中的y轴方向，相互级联的天线模块的辐射的相位应当相同，由于辐射贴片上馈电点位置的差异，相互级联的两个馈电点的馈电相位应当存在相位差以补偿辐射相位，从而保证相互级联的辐射相位相同。

例如图6所示的实施方式中，两个级联的第二馈电点TX分别位于中心轴的两侧，因此两个第二馈电点TX之间的馈电相位差应当为180°，从而保证激励的辐射相位相同。在其他实施方式中，可以基于实际应用需求进行调整馈电相位，以保证级联的辐射相位相同。

下面以图4所示的单天线模块的天线阵列为例详细介绍一种可适用于上述各实施方式的天线结构设计，请参阅图8，图8是本申请天线阵列一实施方式的侧视结构示意图。

如图8所示，天线阵列可以包括层叠设置第一介质板10、第二介质板30和第三介质板40，其中第一介质板10包括面向第二介质板30的第一表面101、以及与第一表面101相背的第二表面102；第三介质板40包括面向第一介质板10的第三表面401、以及与第三表面401背离的第四表面402。

天线模块的辐射贴片20可以布置在第一表面101上，第四表面402上可以布置天线模块的芯片50、馈电网络(图中未画出)，以及布置用于和载板70连接的焊球60。

馈电网络可以连接焊球60和芯片50，以及连接芯片50和辐射贴片20。

具体地，请参阅图9，图9是本申请天线阵列一实施方式的立体结构示意图。如图9所示，天线模块还可以包括布置在第二表面102上与辐射贴片20对应的寄生贴片80。

本实施方式中，寄生贴片80的形状可以与辐射贴片20相同，均为正方形结构；在其他实施方式中，寄生贴片80也可以为其他形状，例如圆形、菱形等，或者，寄生贴片80也可以采用多片组合式设计，均能够实现本实施方式的效果。

天线模块还包括贯穿第二介质板30和第三介质板40的第一馈电柱90和第二馈电柱100。其中，第一馈电柱90两端分别连接馈电网络和第一馈电点，第二馈电柱100两端分别连接馈电网络和第二馈电点，从而实现馈电。

具体地，天线模块的芯片50包括接收通道和发送通道，接收通道通过馈电网络与第一馈电柱90连接，发送通道通过馈电网络与第二馈电柱100连接。

为了增强天线屏蔽，提高天线的辐射性能，第一表面101、第二表面102、第三表面401和第四表面402上还分别布置有第一参考地110、第二参考地120、第三参考地130和第四参考地140。

天线模块包括贯穿第一介质板10、第二介质板30和第三介质板40设置的多个连接柱150，连接柱150连接第一参考地110、第二参考地120、第三参考地130和第四参考地140，多个连接柱150均匀环绕辐射贴片20设置以形成隔离墙。

其中，第一参考地110环绕辐射贴片20设置，第二参考地120环绕辐射贴片20在第二表面102的正投影设置，第三参考地130上布置有用于避让第一馈电柱90和第二馈电柱100的避让孔1301，以避免短路。

应当理解的，上述实施方式仅列举了一种适用于本申请各实施方式的天线模块结构设计，在其他实施方式中，其他结构的天线模块也可以适用于本申请的天线阵列中。在一些实施方式中，当一个或多个天线模块仅用于激励第一辐射电磁模式或第二辐射电磁模式时，可以在上述实施方式的基础上省略第二馈电柱100或第一馈电柱90，并做相应适应性设计。

下面对图9所示的天线模块进行三维电磁场仿真，得到图10。请参阅图10，图10是本申请天线阵列一实施方式的三维电磁场仿真图。

如图9所示，该天线阵列的中心频点位于24.125GHz，使用频率范围覆盖24GHz～24.25GHz的ISM频段。在使用的频带内，天线单元端口隔离度超过45dB，回波损耗小于-10dB，最高增益波动在1dB以内，方向图对称性较好。

另外，对图3所示的天线阵列1T1R、图4所示的天线阵列1T2R、图5所示的天线阵列1T2R双天线、图6所示的天线阵列2T4R进行三维电磁场仿真，各天线阵列均采用图8所示的天线模块结构设计，得到下表。

如上表所示，各实施方式中的天线阵列的收发天线合成增益均大于10dBi，且最差收发通道隔离度超过35dB，在较小尺寸下保证了收发通道的隔离度和优异的增益。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。