CN104577316A - 一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合结构，包括微带贴片天线、底层介质基片衬底、衬底挖腔结构、带有缝隙的接地板、顶层介质基片衬底、共面波导转微带馈线。所述微带贴片天线在所述两层介质基片衬底底侧；所述衬底挖腔结构指底层介质基片衬底上挖腔；所述缝隙耦合口径位于两层介质基片中间；所述共面波导转微带馈线在顶层介质基片上表面。本发明能够解决工作频率在毫米波频段时天线与射频电路的层间垂直互连问题。具有无焊点、无寄生辐射，可获得均匀的辐射方向图，克服了传统单一馈电方式带来的不利影响及设计上的局限性等优点。

Description

一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构

技术领域

本发明涉及一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构，属于毫米波微带天线领域。

背景技术

天线是雷达、通信等系统必备的重要器件，微带天线因其设计多样性、低剖面易共形，馈电方法多，高性能成本低，在成像系统天线阵及防撞雷达等领域得到广泛应用。对微带天线进行馈电的基本方式是：(1)用微带线馈电；(2)用同轴线馈电。应用于多层板的层间信号互连时，在微波频段一般可以通过线缆和连接器等连接形式实现电路与天线馈源的连接。当系统的工作频率不断提高后，达到Ka频段，可以基于普通PCB工艺，利用特定的通孔，利用高频玻璃绝缘子等小型化结构实现信号的垂直互连，减少信号的传输损耗。当频段进一步提升，到达50GHz以上(如V波段、W波段等)，信号的垂直互联变得十分困难。采用通孔的耦合方法往往需要对引入的电感进行匹配，导致传输带宽较窄，难以适应宽带系统的要求。

为满足较好的探测距离性能和全息功能，雷达探测系统一般要求较宽的工作带宽。毫米波辐射计是毫米波被动探测与成像的关键部件，如工作于94GHz(波长3mm)频段的辐射计其检测目标对于外界电磁波自然辐射的反射和自身的辐射信号的强度，形成目标的探测与成像。辐射计接收到的能量的大小是探测与成像的关键，为提高灵敏度水平，需设计较宽的带宽增加接受功率，一般需要5～10GHz性能带宽。利用毫米波进行主动式全息成像需要更宽的带宽，以实现三维全息成像的距离信息，因此较宽的工作带宽是关键。如工作于Ka频段的主动成像系统，工作带宽达到10GHz以上，占比超过30％。展宽微带天线频带的途径是降低天线等效电路的Q值(品质因数)，增大基片厚度是展宽微带天线的有效手段，但是基片相对于自由空间波长过大会引起表面波的明显激励。降低介电常数也可以展宽频带带宽，但能力有限，介电常数最小值为1，即空气介质。介电常数低还将减小表面波的影响，然而馈线要宽些，需要抑制辐射损耗的加大。为获得低介电常数，现已发展了蜂窝结构、泡沫结构以及介质挖腔结构等。

另外，对于多层互连电路，通孔垂直互联的加工工艺误差也较难控制，误差将导致实际集成过程中性能离散性较大。毫米波信号垂直信号可靠互联是射频系统设计的关键点。在系统集成上面，信号互联馈电方法需要满足易于集成及较高的一致性。PCB工艺的通孔结构为机械成型方式，受到定位控制及加工变形等因素的制约，相比较光学表面图形成型精度较低。本发明主要通过PCB工艺的表面平面电路设计实现信号的耦合传输，避免通孔工艺，提高加工精度，提高集成的一致性。在毫米波微带天线的馈电方式上，与微带线馈电及同轴线馈电相比，电磁耦合型馈电能获得宽频带的驻波比特性，而且可以获得比较满意的匹配。传统微带线馈电时馈线与微带天线贴片是共面的，但这时馈线本身也要引起辐射，从而干扰天线方向图，降低增益。而电磁耦合型馈电方式的结构特点是馈电线与微带天线贴片为贴近式(无接触)馈电，可利用馈线本身，也可通过口径(缝隙)来形成馈线与天线间的电磁耦合，其优点是结构上无焊点、无寄生辐射、性能上不会对贴片天线的远场辐射造成影响，可获得均匀的辐射方向图。这对于多层阵列中的层间连接问题，是一种有效的解决方法。

综上所述，针对毫米波多层互连结构电路的综合要求，构筑成本发明构思，本发明拟提出一种兼顾系统性能需求的垂直耦合馈电结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构，以能够解决工作频率在毫米波频段时天线与射频电路的层间垂直互连问题。

本发明采用两层介质基片衬底粘合在一起，底层和顶层分别为微带贴片天线和共面波导(CPW)转微带馈线，两层介质基板衬底之间的接地板带有缝隙，CPW转微带馈线通过接地板上的缝隙口径耦合对顶层天线进行激励。天线衬底采用挖腔处理，降低了天线基板的有效介电常数。本发明在毫米波高频段条件下实现天线与电路的三维堆叠结构，减少系统平面截面积，同时使所述的垂直耦合结构具有较宽的工作频带。

本发明提供一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构。包括微带贴片天线、底层介质基片衬底、衬底挖腔结构、带有缝隙的接地板、顶层介质基片衬底、共面波导转微带馈线。所述微带贴片天线在所述底层介质基片衬底的底侧；所述衬底挖腔结构是指底层介质衬底上挖腔；所述的带有缝隙的接地板位于两层介质基片衬底中间；所述共面波导转微带馈线在顶层介质基片衬底的上表面。

所述的应用于毫米波微带天线的垂直耦合馈电结构，其特征在于：所述的底层介质衬底与顶层介质衬底均是采用介电常数为11.7的硅基衬底，厚度分别是150～250μm和50～150μm。表面溅射金属为金，金层的厚度为1～5μm。优先推荐的厚度是200μm和100μm，金层厚度为3μm。

所述的共面波导(CPW)转微带馈线结构，其共面波导传播的是TEM波，没有截止频率，用来改善微带天线频带较窄的限制，

所述的共面波导转微带馈线结构，通过改变微带馈线的长度来调节微带贴片天线的谐振频率。

所述的微带贴片天线的底层介质基片衬底，采用挖腔处理来降低天线基板的介电常数，根据空腔深度的不同来调节天线基板的有效介电常数。

所述的带有缝隙的接地板，其缝隙口径为“H”型结构，通过调整H的倒角尺寸及缝隙臂间距，将信号耦合到天线可获得较宽的天线工作带宽。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明利用将缝隙耦合、衬底挖腔和共面波导转微带的馈电方式同时使用的结构，可应用于微带天线与芯片层叠封装的结构，避免采用小孔耦合馈电而产生的高电感值，以及匹配困难的问题。所述的垂直耦合馈电结构具有较宽的工作带宽，易实现馈源与天线之间的匹配。本发明优点是无焊点、无寄生辐射、可获得均匀的辐射方向图，克服了传统单一馈电方式带来的微带贴片天线性能的不利影响以及设计上的局限性，对于多层阵列中的层间连接问题，是一种及其有效的解决方法。

附图说明

图1为毫米波垂直耦合馈电结构的整体剖面示意图；

图2(a)为垂直耦合馈电结构的俯视图，图2(b)为接地板上的缝隙“H”型结构；

图3为毫米波微带天线的结构图；

图中，1.微带贴片天线，2.底层介质基片衬底，3.衬底挖腔结构，4.带有缝隙的接地板，5.顶层介质基片衬底，6.共面波导转微带馈线，7.结构中心线。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

本发明的实施方式涉及一种应用于毫米波天线的垂直耦合馈电结构，如图1所示，所提供的垂直馈电结构包括微带贴片天线1、底层介质基片衬底2、衬底挖腔结构3、带有缝隙的接地板4、顶层介质基片衬底5、共面波导转微带馈线6。

如图1所示，采用半导体工艺，将微带贴片天线1采用溅射-光刻-电镀-腐蚀的工艺步骤，制作在底层介质基片衬底的下表面。将共面波导转微带馈线6和带有缝隙的接地板4，采用相同工艺制作在顶层介质基板衬底5的上、下两个表面。

图3中，衬底挖腔结构3指对微带贴片天线的底层介质基片衬底上表面采用等离子干法刻蚀方法，进行挖腔处理，通过控制刻蚀的功率大小和时间来控制空腔的深度。进而改变天线介质基片衬底的介电常数。

采用半导体键合工艺，将上下两层介质基片衬底上下键合在一起。带有缝隙的接地板4位于中间层，微带贴片天线及共面波导转微带馈线分别位于双层介质基片衬底的底层与顶层。共面波导转微带馈线通过接地板上缝隙的口径来对微带贴片天线进行馈电。

图1所示，上下两层介质基片衬底材料均为硅基衬底，顶层介质基片衬底5厚度为50～150μm，底层介质基片衬底2厚度为150～250μm，所有的表面金属均为导电性能良好的金，镀金层的厚度为1～5μm。优先推荐的顶层衬底厚度为100μm，底层为200μm，镀金层厚度为3μm。

如图2(a)所示，垂直耦合馈电结构是采用CPW与微带线转换过渡结构，通过调节微带枝节的尺寸，来获得天线的最佳谐振频率点。A和B的一个代表性尺寸为800μm×800μm。

如图2(b)所示，两层基板之间的缝隙口径(4)为H型，通过调整H缝隙口径的缝隙宽带W、拐角L尺寸及缝隙中间臂的长度D可调节馈线与天线之间耦合信号的大小。例如W＝50μm，C＝250μm，D＝500μm，Lst＝250μm，可获得较宽的天线工作带宽。

从上面的描述可见本发明利用共面波导转微带馈电，采用带有缝隙的接地板上“H”型结构的缝隙耦合对微带贴片天线进行馈电，并对天线介质基片进行挖腔处理的方法，即提高了微带贴片天线的辐射效率，又增加了天线的工作带宽。应用于微带天线与芯片层叠封装的结构，避免采用小孔耦合馈电而产生的高电感值，以及匹配困难的问题。该馈电结构具有较宽的工作带宽，易实现馈源与天线之间的匹配。

由此可见，本发明的特征在于：

①所述的缝隙耦合是指带有缝隙的接地板上为“H”型结构，通过调整H倒角尺寸及缝隙臂间距，调节馈线与天线间耦合信号的大小，以获得较宽的天线工作带宽。

②衬底挖腔衬底是指微带贴片天线的底层介质衬底上采用等离子干法刻蚀方法，进行挖腔；通过控制刻蚀的功率大小和时间，控制空腔的深度，以调节天线介质基片衬底的介电常数。

③共面波导转微带是指采用CPW与微带转换过渡结构，通过调节微带长度调节天线的谐振频率。

本发明优点是无焊点、无寄生辐射、可获得均匀的辐射方向图，克服了传统单一馈电方式带来的微带贴片天线性能的不利影响以及设计上的局限性，对于多层阵列中的层间连接问题，是一种及其有效的解决方法。

Claims (9)

1.一种应用于毫米波微带天线的垂直耦合结构，包括微带贴片天线(1)、底层介质基片衬底(2)、衬底挖腔结构(3)、带有缝隙的接地板(4)、顶层介质基片衬底(5)、共面波导转微带馈线(6)。所述微带贴片天线(1)在所述底层介质基片衬底(2)底测；所述衬底挖腔结构(3)是指在底层介质基片衬底(2)上挖腔；所述的带有缝隙的接地板(4)位于两层介质基片衬底的中间，位于其面波导转微带馈线的垂直下方；所述共面波导转微带馈线(6)在顶层介质基片(5)的上表面。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述的结构是将缝隙耦合、衬底挖腔和共面波导转微带的馈电方式同时使用的结构。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的底层介质基片衬底(2)与顶层介质基片衬底(5)，采用介电常数为11.7的硅基衬底，厚度分别是150～250μm和50～150μm；表面溅射金属为金，金层厚度为1～5μm。

4.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于底层介质基片衬底厚度为200μm，顶层介质基片厚度为100μm，金层厚度为3μm。

5.根据权利要求2所述的结构，其特征在于所述的缝隙耦合是指带有缝隙的接地板上为“H”型结构，通过调整H倒角尺寸及缝隙臂间距，调节馈线与天线间耦合信号的大小，以获得较宽的工作带宽。

6.根据权利要求2所述的结构，其特征在于衬底挖腔衬底是指微带贴片天线的底层介质衬底的上表面采用等离子干法刻蚀方法，进行挖腔；通过控制刻蚀的功率大小和时间，控制空腔的深度，以调节天线介质基片衬底的介电常数。

7.根据权利要求2所述的结构，其特征在于共面波导转微带是指采用CPW与微带转换过渡结构，通过调节微带长度调节天线的谐振频率。

8.根据权利要求1或7所述的结构，其特征在于所述的共面波导转微带结构，共面波导传播的是TEM波，没有截止波率，以改善微带天线频带窄的限制。

9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述的天线尺寸为800μm×800μm。