基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构

摘要

本发明涉及毫米波芯片封装技术领域，具体涉及一种基于SIW多馈网络的芯片‑封装‑天线一体化结构。将芯片的多个输出端通过阻抗匹配网络连接到SIW多馈网络，可实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配，SIW多馈网络的输出端直接连接天线端，将两个以上的输入信号在基片集成波导中进行功率的合成，再由天线将多路合成的毫米波信号辐射出去，最终在芯片‑封装‑天线一体化结构上实现功率合成。同时，SIW多馈网络由SIW结构构成，其中多个过孔进行等间距的排列，以形成腔体结构，以保证SIW结构近似等效于波导结构，从而相比于传统的平面功分器具有较高的品质因数和较大的功率容量，提高了系统的EIRP。

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波芯片封装技术领域，具体涉及一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构。

背景技术

雷达通过发射电磁波信号，并检测到反射的回波信号，进而及时判断出目标的速度和距离等信息。在毫米波频段，由于工作波长较小，可以采用较小的天线尺寸，从而在汽车雷达，安检雷达以及手势识别智能设备上有着明显的尺寸优势。

而提高目标的检测距离，传统做法是通过提高毫米波芯片输出端的功率或将天线进行组阵以提高天线的增益，从而提高系统的等效全向辐射功率(equivalentisotropically radiated power，EIRP)。例如，现有通过功率合成器来实现功率的合成。

然而平面功分器品质因数较小，且当输入端口增加时，功分器上的阻抗比也跟着变大，从而影响其性能。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构，解决了现有芯片-封装-天线一体化结构利用平面功分器进行功率放大性能较差的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构，包括：芯片、阻抗匹配网络、SIW多馈网络和天线；所述芯片为封装后的芯片；

所述阻抗匹配网络将芯片的多个输出端与SIW多馈网络的多个输入端对应连接，用于实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配；

所述SIW多馈网络用于进行功率的合成，且SIW多馈网络包括一个连接天线的输出端。

进一步的，所述芯片包括多个与发射通道一一对应的片上变压器，所述片上变压器与芯片的焊盘连接。

进一步的，所述阻抗匹配网络与焊盘连接，所述焊盘与阻抗匹配网络的连接方式为BGA、过孔或wire bonding中的任一种。

进一步的，所述芯片的封装形式为flip-chip、fan-out、wire bonding、LTCC或HDI中任一种。

进一步的，所述阻抗匹配网络采用GCPW传输线。

进一步的，所述GCPW传输线中间加载短路枝节，用于消除电容效应。

进一步的，所述SIW多馈网络的输入端与输出端均设置在由两排过孔组成的同一个腔体上。

进一步的，所述天线为贴片天线、八木天线、偶极子天线、Vivaladi天线、缝隙开槽天线、喇叭天线中的任一种或相应的天线阵列。

进一步的，所述阻抗匹配网络、SIW多馈网络和天线均设置在介质板的上表面，并通过过孔与质板下表面的金属地连接。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构。与现有技术相比，具备以下有益效果：

将芯片的多个输出端通过阻抗匹配网络连接到SIW多馈网络，可实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配，SIW多馈网络的输出端直接连接天线端，将两个以上的输入信号在基片集成波导中进行功率的合成，再由天线将多路合成的毫米波信号辐射出去，最终在芯片-封装-天线一体化结构上实现功率合成。同时，SIW多馈网络由SIW结构构成，其中多个过孔进行等间距的排列，以形成腔体结构，以保证SIW结构近似等效于波导结构，从而相比于传统的平面功分器具有较高的品质因数和较大的功率容量，提高了系统的EIRP。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构的俯视图；

图2为本发明实施例的芯片、片上变压器与GCPW馈线连接示意图；

图3为本发明实施例的GCPW阻抗匹配网络的三维示意图；

图4为本发明实施例的SIW多馈网络的三维示意图；

图5为本发明实施例的基于SIW多馈网络与多个天线连接的示意图；

图6为本发明实施例的基于SIW多馈网络与一个天线阵列连接的示意图；

图7为本发明实施例的阻抗匹配网络、SIW多馈网络和天线的位置示意图；

图8为传统两路威尔金森功分器与SIW双馈网络的反射系数对比图；

图9为基于SIW单馈网络的天线俯视图；

图10为基于SIW单馈网络的天线与本发明实施例的基于SIW双馈网络的天线匹配与增益的对比图；

图11为基于SIW单馈网络的天线与本发明实施例的基于SIW双馈网络的天线辐射方向图的对比图；

图12为芯片-封装-天线一体化结构的反射系数与增益；

图13芯片-封装-天线一体化结构的辐射方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

本申请实施例通过提供一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构，解决了现有芯片-封装-天线一体化结构利用平面功分器进行功率放大性能较差的问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

为了实现功率合成，将芯片的多个输出端通过匹配网络连接到基片集成波导SIW多馈网络，而SIW多馈网络的输出端直接连接天线端，最后天线将多路合成的毫米波信号辐射出去。解决了传统平面功分器品质因数小、损耗大、尺寸大、带宽小和功率容量小的问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构，包括：芯片、阻抗匹配网络、SIW多馈网络和天线；所述芯片为封装后的芯片；

所述阻抗匹配网络将芯片的多个输出端与SIW多馈网络的多个输入端对应连接，用于实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配；

所述SIW多馈网络用于进行功率的合成，且SIW多馈网络包括一个连接天线的输出端。

本实施例的有益效果为：

将芯片的多个输出端通过阻抗匹配网络连接到SIW多馈网络，可实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配，SIW多馈网络的输出端直接连接天线端，将两个以上的输入信号在基片集成波导中进行功率的合成，再由天线将多路合成的毫米波信号辐射出去，最终在芯片-封装-天线一体化结构上实现功率合成。同时，SIW多馈网络由SIW结构构成，其中多个过孔进行等间距的排列，以形成腔体结构，以保证SIW结构近似等效于波导结构，从而相比于传统的平面功分器具有较高的品质因数和较大的功率容量，提高了系统的EIRP。

下面对本发明实施例的实现过程进行详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种基于SIW多馈网络的芯片-封装-天线一体化结构，包括：芯片、阻抗匹配网络、SIW多馈网络以及天线；

所述芯片采用的封装形式不作限制，可为倒片封装(flip-chip)、扇出型封装(fan-out)、金线键合(wire bonding)、低温烧结陶瓷(LTCC)或高密度互连(HDI)中的任一种封装形式。如图2所示，所述芯片包括多个片上变压器，芯片的每个发射通道对应一个片上变压器，所述片上变压器连接到芯片的焊盘上。

如图3所示，所述阻抗匹配网络采用接地共面波导(grounded coplanarwaveguide，GCPW)传输线，用于实现匹配芯片与SIW多馈网络之间的过渡；所述阻抗匹配网络的多个输入端与所述芯片的多个发射通道一一对应连接，即所述芯片的焊盘与阻抗匹配网络通过BGA、过孔或wirebonding中的任一方式连接。所述GCPW传输线中间加载短路枝节，可以有效消除封装与阻抗匹配网络之间的耦合所带来的电容效应。

如图4所示，所述SIW多馈网络由基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)结构构成，包含连接阻抗匹配网络的多个输入端以及至少一个连接天线的输出端，且SIW多馈网络中的多个过孔等间距排列，以形成腔体结构，所述SIW多馈网络的输入端与输出端均设置在由两排过孔组成的同一个腔体上，以保证SIW结构近似等效于波导结构，从而相比于传统的平面功分器具有较高的品质因数和较大的功率容量；将芯片的多个输出端经过阻抗匹配网络过渡，再连接到SIW多馈网络的输入端，将两个以上的输入信号在基片集成波导中进行功率的合成；且SIW结构和多个输入端之间的过渡无需进行较大的阻抗变换，从而相比于传统的功分器具有较宽的工作带宽。且本实例的SIW多馈网络可以有效地减小系统体积和成本，提高了系统的EIRP。

所述天线可为贴片天线、八木天线、偶极子天线、Vivaladi天线、缝隙开槽天线、喇叭天线中的任一种或相应的天线阵列，例如由多个天线构成的一个天线阵列，例如图5-6所示的SIW多馈网络连接多个天线或一个天线阵列的情景。通过SIW多馈网络的输出端直接连接天线，天线将多路合成的毫米波信号辐射出去。

如图7所示，所述阻抗匹配网络、SIW多馈网络和天线可设置在介质板的上表面，并通过过孔与质板下表面的金属地连接。

如图8所示，对比了传统的两路威尔金森功分器与本实施例的SIW双馈网络的反射系数。从图中可以发现，传统的功分器带内只有一个极点，而且其15dB的绝对带宽只有23GHz,而SIW双馈网络的带内有6个极点，同时其15dB的绝对带宽将近60GHz。

如图10、11所示，图10给出了如图9所示的基于SIW单馈网络的天线与图5的基于SIW双馈网络的天线匹配与增益的对比，且两者天线和SIW结构均相同，图9中的单馈网络需要进行较大的阻抗变换，才能连接输入输出端，而多馈网络无需较大的阻抗变换，即可连接输入输出端。而图11给出了两者的天线方向图的对比。可知，基于单馈与双馈网络的两个天线的匹配、增益和方向图几乎一致，表示本实施例中SIW多馈网络很好地实现了功率合成的功能，因此，基于SIW多馈网络的天线不仅保持了基于单馈网络的天线方向图、波束带宽和工作带宽，而且还实现了功率合成的功能。

如图12、13所示，其中对应图1中的结构包括芯片、片上变压器、阻抗匹配网络、SIW多馈网络以及天线。

图12显示了图1中芯片-封装-天线一体化结构的反射系数与增益，从图13可以发现，芯片-封装-天线一体化设计覆盖了75-78GHz，增益具有较好的平坦度。

图13显示了图1中芯片-封装-天线一体化结构的辐射方向图，最大辐射方向指向0°方向，而在-44.7°方向图的旁瓣恶化了，主要原因是高介电常数对方向图具有一定影响，有效预估了芯片封装对天线辐射方向图的影响。

综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

(1)将芯片的多个输出端通过阻抗匹配网络连接到SIW多馈网络，可实现芯片与SIW多馈网络之间的阻抗匹配，SIW多馈网络的输出端直接连接天线端，将两个以上的输入信号在基片集成波导中进行功率的合成，再由天线将多路合成的毫米波信号辐射出去，最终在芯片-封装-天线一体化结构上实现功率合成。同时，SIW多馈网络由SIW结构构成，其中多个过孔进行等间距的排列，以形成腔体结构，以保证SIW结构近似等效于波导结构，从而相比于传统的平面功分器具有较高的品质因数和较大的功率容量，提高了系统的EIRP。

(2)芯片的多个输出端口连接到SIW多馈网络的公共输入端口，其中，SIW结构和多个输入端口之间的过渡无需进行较大的阻抗变换，从而相比于传统的功分器具有较宽的工作带宽。所述SIW多馈网络的多个输入端和输出端均设置在由两排过孔组成的同一个腔体上，可以有效地减小系统体积和成本。

需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。