CN101141023B - 微机电层叠式毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的微机电层叠式毫米波天线，包括上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底，所述上层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第一金属辐射贴片，所述中层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第二金属辐射贴片，所述下层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成具有口径耦合缝隙的接地面，该下层介质衬底的下表面沉积有金属并刻蚀形成FGCPW-MS馈线或MS馈线，所述上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底通过MEMS键合工艺形成一体。该天线几何尺寸小、重量轻，且易于进一步集成。

Description

微机电层叠式毫米波天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是微机电层叠式毫米波天线。

背景技术

微波集成技术的发展、成熟和各种低耗介质材料的出现，保证了微带天线的制造工艺、降低了制造成本，且随着计算机辅助设计分析软件的运用，使微带天线的设计更容易、更可靠。材料、工艺、设计的成熟使微带天线体积小、重量轻、剖面低、易共形、成本低，被广泛应用于卫星通讯、雷达、遥感遥测、航海以及生物医学系统等许多领域。但是微带天线也存在着工作频带窄和辐射效率低两大缺陷，极大的影响了微带天线的性能。

为了增加天线带宽，可采用多层介质衬底、多层贴片构成多层微带贴片天线。传统的多层微带天线采用陶瓷基片作为介质衬底，通过高低温烧结而成，在烧结过程中，易造成衬底的形变，严重影响了工艺精度，制约了天线的性能。

目前，有一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)衬底的多层微带天线，然而当工作频率提高到高频段尤其是在微波频段高端，LTCC制作工艺精度已难以胜任要求，而且工艺上难以和传统的集成电路工艺相兼容，给系统的集成化带来困难。

以陶瓷基片作为介质衬底的传统微带天线通常使用混合集成的方法将天线辐射单元与电路集成在一起。然而随着射频系统的工作频率向毫米波方向不断发展，对射频器件、电路和辐射单元集成的要求越来越高，混合集成越来越困难，开发成本越来越高。特别是单片通信系统的急迫要求，要求辐射元件能与电路集成在一起。这就需要将天线制作在高介电常数介质衬底上，然而相对于低介电常数的介质衬底，高介电常数的介质衬底更容易激励起表面波，同时会产生更大的介质损耗，使微带天线性能明显降低，辐射效率更低、带宽更窄、辐射方向图变坏以及在阵列结构中辐射单元之间产生不必要的耦合等。

上世纪八、九十年代发展起来的射频微机电系统(MEMS)结合微电子技术和精密加工技术，是微电子技术基础上发展起来的多学科交叉和渗透的新兴学科。MEMS工艺不仅包括了常规的半导体工艺而且还包括可以制作高深宽比和复杂三维可动结构器件的工艺，如DRIE(深反应离子刻蚀)和各种键合工艺等。所以，MEMS工艺精度远高于LTCC工艺，且易于和传统IC(集成电路)工艺集成，充分发挥了半导体工艺集成化、批量化、工艺精确、误差小的优点。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供的微机电层叠式毫米波天线，采用MEMS技术部分刻蚀天线金属贴片下方的介质衬底，降低了介质衬底的等效介电常数，抑制了表面波的传播，同时采用MEMS键合工艺形成多层层叠式结构天线，改善了天线的带宽、辐射效率、方向图等性能。

本发明提供的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，包括上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底，所述上层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第一金属辐射贴片，所述中层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第二金属辐射贴片，所述下层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成具有口径耦合缝隙的接地面，该下层介质衬底的下表面沉积有金属并刻蚀形成FGCPW-MS馈线或MS馈线，所述上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底通过MEMS键合工艺形成一体。

优选地，所述上层介质衬底的材料为玻璃，所述中层介质衬底的材料为高阻硅，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述中层介质衬底的上表面刻蚀有浅层池，上述第二金属辐射贴片设置在该浅层池内，所述中层介质衬底的下表面设置有空腔。

优选地，所述上层介质衬底的材料为高阻硅，所述中层介质衬底的材料为高阻硅，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔，所述中层介质衬底的下表面设置有空腔。

优选地，所述上层介质衬底的材料为高阻硅，所述中层介质衬底的材料为玻璃，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔。

优选地，所述浅层池的深度为2.5-3.5μm。

优选地，所述第一金属辐射贴片和第二金属辐射贴片的中心重合，并且该中心与上述口径耦合缝隙的中心重合，所述口径耦合缝隙位于上述接地面的中央位置。

优选地，所述接地面上的口径耦合缝隙的形状为H形或矩形。

优选地，馈源FGCPW的有限宽地平面与所述接地面是采用通孔方式连接的。

优选地，所述金属是钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝中的任一种。

优选地，所述金属辐射贴片的形状为矩形、梯形、E形、三角形、圆形或者C形。

所述微机电层叠式毫米波天线，所述金属辐射贴片的形状若采用矩形，其尺寸的设计，需考虑衬底材料的等效介电常数、金属辐射贴片的尺寸与谐振频率等，以三层结构的微机电层叠式毫米波天线为例，其参数设计关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}={\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_i}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ri}}}\right)}^{-1}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ej}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}-1}{2}\frac{1}{\sqrt{1+\left(10\underset{i=j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\right)/W_j}}$

$f_{r1}=\frac{c_0}{{2L}_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{e1}}}\frac{1-{\mathrm{\ζ}}_1}{1+{\mathrm{\ζ}}_1\ln (1.123L_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{e1}}/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i)}$

$f_{r2}=\frac{c_0}{2(L_2+2{\mathrm{\ΔL}}_2)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{e2}}}$

${\mathrm{\ζ}}_1=\frac{2}{{\mathrm{\π\ϵ}}_{e1}[L_1/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i+1.393+0.667\ln (L_1/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i+1.444)]}$

其中：ε_re为介质衬底总的介电常数；N为介质衬底总层数；ε_ri为第i层介质的相对介电常数；h_i为第i层介质衬底的厚度；ε_ej为第j层总的有效相对介电常数；f_r1为第一金属辐射贴片的谐振频率；f_r2为第二金属辐射贴片的谐振频率；L₁和L₂分别表示第一和第二金属辐射贴片的长度；w_j为第j层金属辐射贴片的宽度；c₀为自由空间的光速。

为了展宽天线的频带，取f_r为第一和第二金属辐射贴片谐振频率的中心频率：

$f_r=\frac{f_{r1}+f_{r2}}{2}$

与现有技术相比，本发明提供的微机电层叠式毫米波天线具有以下优点：

(1)通过层叠式结构、采用口径耦合馈电方式，接地面可将馈电系统与金属辐射贴片隔离，减小了馈线寄生辐射对天线贴片单元方向图的干扰。金属辐射贴片位于低介电常数介质衬底上，以利于促进辐射，增加天线带宽；馈线位于高介电常数介质衬底上，以利于将场约束在馈线内，同时降低了馈线电路的尺寸。这种结构的天线显著增加了天线带宽、增益，提高了天线辐射效率，改善了天线性能。

(2)该天线结构采用有限宽地共面波导到微带线(FGCPW-MS)的过渡段变换到特性阻抗为50Ω的微带传输线，使共面波导平滑地过渡到微带馈线，减小了由于传输线宽度的突变而导致过大的反射损耗，改善了天线性能。

(3)采用MEMS微加工工艺，与半导体集成电路工艺相兼容，方便与其他半导体器件、微器件进一步集成，因而使通信等电子系统尺寸更小、功能更全、性能更优越，同时易于实现批量生产，提高效率，降低成本。

(4)采用MEMS工艺，与传统层叠式贴片天线相比，工艺制造精度高，特别适用于高频如毫米波，使仿真设计结果与实际测试结果符合的更好，缩短了开发周期，降低了成本，提高了效率。

(5)该天线几何尺寸小、重量轻，且易于制造，结构稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的分层立体示意图；

图2是本发明实施例的整体外观侧视示意图；

图3是本发明实施例的仿真回波损耗图；

图4是本发明实施例的仿真电场辐射方向图；

图5是本发明实施例的仿真磁场辐射方向图。

具体实施方式

以下为本发明提供的实施例，结合图1、2具体介绍。

图1为本发明实施例的分层立体示意图。本发明实施例提供的微机电3层层叠式毫米波天线，包括上层介质衬底(101)、中层介质衬底(102)和下层介质衬底(103)，所述上层介质衬底(101)的材料为玻璃，所述中层介质衬底(102)的材料为高阻硅，所述下层介质衬底(103)的材料为高阻硅，所述上层介质衬底(101)的上表面沉积有金属并刻蚀形成第一金属辐射贴片(104)，所述中层介质衬底(102)的上表面刻蚀有浅层池(105)内沉积有金属并刻蚀形成第二金属辐射贴片(106)，所述中层介质衬底(102)的下表面具有空腔(107)，所述下层介质衬底(103)的上表面沉积有金属并刻蚀形成具有口径耦合缝隙(108)的接地面(109)，该下层介质衬底(103)的下表面沉积有金属并刻蚀形成FGCPW-MS馈线(110)。

其中空腔的深度根据设计要求确定，它影响着该介质衬底的等效介电常数，从而影响天线性能。所述第一金属辐射贴片和第二金属辐射贴片的中心重合，并且该中心与上述口径耦合缝隙的中心重合，所述口径耦合缝隙位于上述接地面的中央位置。介质衬底层与层之间通过精确对准和MEMS键合工艺实现层叠，各层介质衬底厚度根据需要进行制定，介质衬底的厚度可通过减薄抛光工艺进行精确控制。缝隙的形状、尺寸影响天线的阻抗匹配、谐振频率及辐射特性等性能。

图2是本发明实施例的整体外观侧视示意图。

本发明所述实例实施提供的微机电3层层叠式毫米波天线的制作过程如下：

(1).在上层介质衬底(101)玻璃的上表面沉积2μm厚的金并刻蚀形成L×W＝1.8mm×2mm的第一金属辐射贴片(104)，该介质衬底选用pyrex 7740玻璃，其介电常数ε_r＝4.7，厚度为500μm。

(2).在中层介质衬底(102)的上表面刻蚀深为2.8μm、长、宽分别为2.542mm×2.762mm的浅层池(105)，在浅层池(105)内然后沉积2μm厚的金并刻蚀，在浅层池图形内形成L×W＝2.54mm×2.76mm的第二金属辐射贴片(107)。其中中层介质衬底为高阻硅，其介电常数ε_r＝11.8，电导率为0.02S/m-0.05S/m，厚度为300μm。

(3).将上层介质衬底(101)下表面与中层介质衬底(102)有第二金属辐射贴片(106)的上表面精确对准，第一金属辐射贴片(104)和第二金属辐射贴片(106)的中心对准，然后进行键合，上层介质衬底(101)位于键合层的上方。

(4).在键合后的中层介质衬底(102)的下表面，刻蚀深250μm的空腔(107)。

(5).在下层介质衬底(103)的上表面沉积2μm厚的金形成接地面(109)，刻蚀形成H形缝隙(108)。其中下层介质衬底(103)为高阻硅，其介电常数ε_r＝11.8，电导率为0.02S/m-0.05S/m。H型缝隙的L×W×d＝1.3mm×0.6mm×0.2mm。

(6).将下层介质衬底(103)有接地面的上表面和上述键合后有空腔的一侧表面精确对准，接地面上缝隙的中心、空腔中心与第一金属辐射贴片、第二金属辐射贴片的中心对准，然后进行键合，使之成为一体。根据设计的要求，将键合后的下层介质衬底(103)减薄抛光至100μm。

(7).最后在下层介质衬底(103)的下表面沉积2μm厚的金并刻蚀形成FGCPW-MS馈线(110)。

实际上，三层衬底的材料根据需要可以是：上层介质衬底的材料为高阻硅，中层介质衬底的材料为高阻硅，下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，此时，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔，所述中层介质衬底的下表面设置有空腔。

三层衬底的材料根据需要还可以是：上层介质衬底的材料为高阻硅，中层介质衬底的材料为玻璃，下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，此时，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔。

同时，上述金属的材料可以是钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝中的任一种。

并且，上述金属辐射贴片的形状可以为矩形、梯形、E形、三角形、圆形或者C形等形状。

本实施例提供的天线采用高频电磁场仿真软件(HFSS)进行仿真，图3为本发明实施例提供的微机电层叠式毫米波天线的仿真回波损耗。图4为本发明实施例提供的微机电层叠式毫米波天线的仿真电场辐射方向图。图5为本发明实施例提供的微机电层叠式毫米波天线的仿真磁场辐射方向图。由图3-图5可看出：该天线中心频点为35GHz，带宽为11.8％，比传统微带天线带宽(1 0dB带宽一般小于2％)增加了5倍左右，天线增益可达7.8dB左右，同时天线效率可达71％。

Claims (10)

1.一种微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，包括上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底，所述上层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第一金属辐射贴片，所述中层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成第二金属辐射贴片，所述下层介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成具有口径耦合缝隙的接地面，该下层介质衬底的下表面沉积有金属并刻蚀形成FGCPW-MS馈线或MS馈线，所述上层介质衬底、中层介质衬底和下层介质衬底通过MEMS键合工艺形成一体。

2.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述上层介质衬底的材料为玻璃，所述中层介质衬底的材料为高阻硅，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述中层介质衬底的上表面刻蚀有浅层池，上述第二金属辐射贴片设置在该浅层池内，所述中层介质衬底的下表面设置有空腔。

3.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述上层介质衬底的材料为高阻硅，所述中层介质衬底的材料为高阻硅，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔，所述中层介质衬底的下表面设置有空腔。

4.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述上层介质衬底的材料为高阻硅，所述中层介质衬底的材料为玻璃，所述下层介质衬底的材料为高阻硅或砷化镓，所述上层介质衬底的下表面设置有空腔。

5.根据权利要求2所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述浅层池的深度为2.5-3.5μm。

6.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述第一金属辐射贴片和第二金属辐射贴片的中心重合，并且该中心与上述口径耦合缝隙的中心重合，所述口径耦合缝隙位于上述接地面的中央位置。

7.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述接地面上的口径耦合缝隙的形状为H形或矩形。

8.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，馈源FGCPW-MS的有限宽地平面与所述接地面是采用通孔方式连接的。

9.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述金属是钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝中的任一种。

10.根据权利要求1所述的微机电层叠式毫米波天线，其特征在于，所述金属辐射贴片的形状为矩形、梯形、E形、三角形、圆形或者C形。

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