一种提高芯片天线性能的FP覆盖层结构的制作方法

一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构
技术领域
1.本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构。


背景技术：

2.现有技术中，对于部分商用雷达芯片，其将天线集成在pcb板上的芯片表面，称为芯片天线，但由于尺寸和材料的局限性，这类芯片天线普遍存在增益和效率低等缺陷。在电路小型化趋势下，芯片天线使用率愈来愈高，但是商用的芯片天线的性能并不能适用于所有场景，在部分应用场景下，芯片天线自身的增益、波束覆盖并不能达到使用要求，然而无法改变芯片天线自身结构，因此为了提高芯片天线的相关增益，需在芯片外围做一些结构设计，主要结构有：
3.1、增大pcb板尺寸，将pcb板当作芯片天线的外置反射板，将芯片天线的后向辐射反射到前向以和和前向辐射叠加，从而提高芯片天线的定向性，反射板面积越大，增益越高；
4.2、在芯片天线上方增加介质透镜，通过改变介质透镜不同位置的介质厚度对入射波的相位进行改变，实现能量汇聚，提高增益；
5.3、加载金属喇叭，通过改变金属喇叭的扩口和高度，在更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性，提高增益；
6.然而，上述结构在提高增益的同时，还具有如下弊端：
7.1、利用pcb板提高芯片天线增益时，增益和pcb板面积成正比，面积越大，增益越高，但面积增加会导致产品的外形尺寸变大，在产品外形受限的情况下，有限大的pcb板对芯片天线增益提高较弱；
8.2、利用介质透镜提高增益时，需要调节不同位置的介质厚度来调节相位，达到等相位波前辐射，缺点是通常介质透镜的厚度较厚，增加了产品的剖面高度和重量；
9.3、利用金属喇叭提高增益时，是由芯片天线口径渐变到一个较大的喇叭口径，在喇叭口上获得均匀的口径分布，在相同口径条件下，喇叭越长口径分布越均匀，而芯片天线的增益与口径成正比，因此想要提高增益需要一个较大的金属喇叭，缺点是会使产品的尺寸变大、重量增加。
10.针对上述结构的弊端，可以加载超材料平面透镜，利用超材料结构对电磁波的低传输损耗和相位延迟功能，在芯片天线上方一定距离分布一定数量的超材料单元，同过每个单元补偿相位，使得平面透镜上方的相位分布均匀，形成平面波，从而提高增益。但是，利用超材料平面透镜提高增益时，为实现较宽的相位调节范围，通常这种平面透镜由三层或更多层组成，层与层之间悬空或者填充低介电常数低损耗材料，每层之间要精准对齐，这样会给产品的安装工艺和安装精度带来较大的困难，不利于产品成本控制。


技术实现要素：

11.技术目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型公开了一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构，在提高芯片天线增益的同时，可进一步减小产品剖面高度，降低安装工艺和安装精度的难度，有利于降低产品成本。
12.技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案：
13.一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构，其特征在于：所述fp覆盖层结构平行且无遮挡覆盖在芯片天线的上方，且和芯片天线之间存在净空距离；
14.所述fp覆盖层结构划分为若干水平阵列排列的fss单元，每个fss单元包括由下而上依次设置且紧密贴合的fss层和abs壳体层，所述fss层包括介质基板和设置于介质基板上方的覆铜表面，每个fss单元的覆铜表面上均设置有1个轴对称结构的镂空“十”字孔区域，所有fss单元设置的“十”字孔区域相同。
15.优选的：fp覆盖层结构与芯片天线之间的净空距离h通过如下公式确定：
[0016][0017]
其中，为芯片天线所在的pcb板反射相位，为fp覆盖层结构反射相位，n为随机设计参数，n为整数，其取值保证h》0，λ为芯片天线中心工作频率的波长。
[0018]
优选的：随机设计参数n取0。
[0019]
优选的：“十”字孔区域中“十”字每边的宽度a、“十”字孔区域中“十”字每边的长度b以及每个fss单元水平横截面的边长p满足使每个fss单元的反射幅度在0.9以上。
[0020]
优选的：“十”字孔区域中“十”字每边的宽度a、“十”字孔区域中“十”字每边的长度b以及每个fss单元水平横截面的边长p满足：b≤p-0.12mm，0.12mm≤a《b。
[0021]
优选的，fss单元水平横截面的边长为1/2的芯片天线中心工作频率的波长。
[0022]
有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
[0023]
本实用新型所述fp覆盖层结构，相对于通过增大pcb板提高增益，可在不改变pcb板大小的情况下提高芯片天线增益，且增益提高效率较高；相对于加装介质透镜和加装金属喇叭提高增益，可极大降低产品的剖面高度和重量，有利于产品小型化；相对于加载超材料平面透镜，在提高芯片天线增益的同时，可进一步减小产品剖面高度，并且可降低安装工艺和安装精度的难度，有利于降低产品成本。
附图说明
[0024]
图1为本实用新型所述fp覆盖层结构及其与芯片天线位置关系的示意图；
[0025]
图2为本实用新型所述fp覆盖层结构中fss层的示意图；
[0026]
图3为本实用新型所述fp覆盖层结构中fss单元的示意图；
[0027]
图4为加载本实用新型所述fp覆盖层结构前后，芯片天线e面在60.5ghz处的增益方向对比图；
[0028]
图5为加载本实用新型所述fp覆盖层结构前后，芯片天线h面在60.5ghz处的增益方向对比图；
[0029]
其中，fss层1，abs壳体层2，芯片天线3，覆铜表面11，“十”字孔区域12。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明和解释。
[0031]
本实用新型公开了一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构，如图1所示，fp覆盖层结构平行覆盖在芯片天线3的上方，且和芯片天线3之间有一定的净空距离，fp覆盖层结构与芯片天线3之间无遮挡。fp覆盖层结构与芯片天线3之间的净空距离由pcb板反射相位和fp覆盖层结构反射相位通过如下公式确定：
[0032][0033]
其中，pcb板反射相位固定为180
°
，随机设计参数n为整数，其取值保证h》0，通常情况下随机设计参数n取0。
[0034]
本实用新型的一种实施例中设置fp覆盖层结构反射相位为168
°
，此时净空距离h约为λ/2，λ为芯片天线3中心工作频率的波长。
[0035]
fp覆盖层结构与芯片天线3所在的pcb板形成fabry-perot谐振腔，芯片天线3作为馈源。fabry-perot谐振腔通常利用上下两层反射板(即pcb板和fp覆盖层结构)的相互作用，使得由馈源(即芯片天线3)所辐射出的电磁波在两个反射板组成的谐振腔内经过多次反射后，电磁波从中心向四周传播(电磁波的反射及传播路线如图1中虚线箭头所示)，有效增加了芯片天线3的辐射口径；且电磁波在经pcb板和部分fp覆盖层结构反射以及在谐振腔体内一定的传播路径后，最终从谐振腔体中透射出的电磁波可以实现同相叠加，从而提高芯片天线3的增益。
[0036]
如图1所示，fp覆盖层结构包括fss(frequency selective surface，频率选择表面)周期性结构单面覆铜板(以下简称fss层)1和位于fss层1上方的通用工程塑料abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)壳体层2，fss层1和abs壳体层2之间紧密贴合，本实用新型的一种实施例中，采用不干胶水将fss层1和abs壳体层2粘接，或者采用相关机械结构件将fss层1和abs壳体层2固定。其中：
[0037]
为了减少介质损耗，fss层1的厚度尽可能薄；
[0038]
在保证强度的情况下，abs壳体层2的厚度尽可能选择较小的，可以减少传输损耗。
[0039]
如图2所示，所述fss层1包括介质基板和设置于介质基板上方的覆铜表面11，所述覆铜表面11中设有若干相同的镂空“十”字孔区域12，所述“十”字孔区域12为轴对称结构。如图3中所示，a为“十”字孔区域12中“十”字每边的宽度，b为“十”字孔区域12中“十”字每边的长度。
[0040]
所述fp覆盖层结构可划分为若干在水平面上阵列排列的fss单元，如图3所示，p为每个fss单元水平横截面的边长，因此每个fss单元也包括fss层1和位于fss层1上方的abs壳体层2，每个fss单元的fss层1也包括介质基板和设置于介质基板上方的覆铜表面11，每个fss单元的覆铜表面11上均设置有1个“十”字孔区域12，所有fss单元的覆铜表面11上设置的“十”字孔区域12相同。
[0041]“十”字孔区域12中“十”字每边的宽度a、“十”字孔区域12中“十”字每边的长度b以及每个fss单元水平横截面的边长p决定了每个fss单元的反射幅度，反射幅度是指fss单元反射的电磁波与入射的电磁波之间的比值，当反射幅度在0.9以上时可以保证芯片天线3的高增益特性。一般的，设计fss单元水平横截面的边长为1/2的芯片天线3中心工作频率的波
长，同时为了加工精度，“十”字孔区域12中“十”字每边的宽度a、“十”字孔区域12中“十”字每边的长度b还满足：
[0042]
b≤p-0.12mm
[0043]
0.12mm≤a《b
[0044]
实施例
[0045]
本实施例提供了一种提高芯片天线性能的fp覆盖层结构，该fp覆盖层结构使用在毫米波频段，fss层1的介质基板选用fr4板材，尺寸为27mm
×
27mm
×
0.07mm；fss层1顶部的通用工程塑料abs壳体层2，尺寸为27mm
×
27mm
×
1mm；fss层1和abs壳体层2之间使用适量不干胶水粘合。fp覆盖层结构距离芯片天线3的高度是2.4mm。本实施例中的fp覆盖层结构包括19
×
19个fss单元，每个fss单元的水平截面为正方形，边长为p＝1.4mm，每个fss单元中“十”字孔区域12的“十”字每边的长度b＝1mm，宽度a＝0.5mm。
[0046]
图4为加载本实施例所述fp覆盖层结构前后，芯片天线e面在60.5ghz处的增益方向对比图，其中实线表示为加载本实施例所述fp覆盖层结构，虚线表示已加载本实施例所述fp覆盖层结构；图5为加载本实施例所述fp覆盖层结构前后，芯片天线h面在60.5ghz处的增益方向对比图，其中实线表示为加载本实施例所述fp覆盖层结构，虚线表示已加载本实施例所述fp覆盖层结构。从图4和图5中可以看出，加载本实施例所述fp覆盖层结构后，芯片天线在60.5ghz的增益由7db增加到18.7db，e面波束宽度由134
°
压窄到18.4
°
，h面波束宽度由57
°
压窄到14.3
°
，从而验证了本实施例所述fp覆盖层结构的有效性。
[0047]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。