CN106207487A - 一种毫米波八木天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波八木天线及其制备方法，该毫米波八木天线的天线本体包括沿辐射方向依次层叠设置的六层介质基片；从上到下第四层介质基片的上表面设有有源振子、下表面设有接地板，第二层、第三层介质基片的上表面相对位置均设有引向振子，第六层介质基片的上表面相对位置设有反射振子；介质基片为透光学辐射的介质基体；有源振子、引向振子、反射振子为金属薄膜或透光学辐射的金属化合物薄膜；接地板为网格结构的金属薄膜或透红外辐射的金属化合物薄膜。将毫米波天线集成到光学介质上，实现毫米波天线与光学窗口同轴、共口径、共形，能相互覆盖整个视场，简化整机结构，实现毫米波/光学双模无遮挡、同轴、共口径、共形复合探测与识别。

Description

一种毫米波八木天线及其制备方法

技术领域

本发明属于光学/毫米波双模复合探测用天线技术领域，具体涉及一种毫米波八木天线，同时还涉及一种毫米波八木天线的制备方法。

背景技术

采用光学(紫外、可见光和红外)成像导引头无论昼夜均可提供高分辨率的影像，但在大雾、浓烟、灰尘或雪天显著降低其性能，而且光学探测不能给出目标的距离和速度数据，毫米波雷达具有微波雷达的全天候和对烟、雾穿透良好等优点，同时因波束较窄而具有更高的目标分辨率，在车辆自主驾驶、飞机自主进场着陆系统中，光学与毫米波雷达结合使用会显著提高安全性，像美国的飞机自主进场着陆系统AALC，使用8～12微米的长波光学与95GHz毫米波结合，在低云层、能见度为零的气象条件下可实现安全着陆。

由于毫米波与光学波段两者硬件差别大，结构配置与安装困难，天线与光学窗口的共口径技术是毫米波/光学双模探测与识别关键技术之一，目前国内外的毫米波/光学双模复合形式主要有两种形式：一是两者均安装在介质的顶端，这种结构配置方案虽然两者共口径，但毫米波天线和光学探测视场相互遮挡；另一种配置结构方案是将一个光学寻的器安装在导弹的头部，而共形天线安装在弹体上，这种方案虽然能较好利用导弹头锥体内的空间，但两者不共口径，结构配置和数据融合难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种毫米波八木天线，将毫米波天线集成到光学介质上,实现毫米波天线与光学窗口同轴、共口径、共形，又能相互覆盖整个视场。

本发明的第二个目的是提供一种毫米波八木天线的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种毫米波八木天线，包括天线本体，所述天线本体包括沿辐射方向依次层叠设置的六层介质基片；从上到下，第四层介质基片的上表面设有有源振子、下表面设有接地板，第二层、第三层介质基片的上表面相对位置均设有引向振子，第六层介质基片的上表面相对位置设有反射振子；

所述介质基片为透光学辐射的介质基体；所述有源振子、引向振子、反射振子为金属薄膜或透光学辐射的金属化合物薄膜；所述接地板为网格结构的金属薄膜，或透红外辐射的金属化合物薄膜。

所述透光学辐射的介质基体为氮化硼、二氧化硅、蓝宝石、氟化镁、尖晶石、ALON、ZnS、ZnSe中的任意一种。所述的介质基体可以是多种透光介质，选取所应用的紫外、可见光与红外波段具有良好透过率的材料，如氮化硼、二氧化硅，在3～5μm波段具有良好透过率的、蓝宝石、氟化镁、尖晶石、ALON及在8～12μm波段具有良好透过率的硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)等。

上述毫米波八木天线中，所述介质基片可以是平面也可以是曲面形状。

所述金属薄膜为金薄膜、铬/金双层薄膜、铬/铝双层薄膜、钛/铂/金三层薄膜；所述金属化合物薄膜为InSb薄膜。所述的网格结构的金属薄膜、金属化合物薄膜在工作的光学波段具有较高的透过率及较好的导电性能。

所述的毫米波八木天线，第四层介质基片伸出天线本体形成接线端，所述接线端的上表面设有与所述有源振子良好欧姆接触的馈线，接线端的下表面设有接地板。馈线选取与有源振子的金属薄膜或金属化合物薄膜具有良好欧姆接触的金属材料或金属化合物材料。

所述馈线为金属薄膜或透光学辐射的金属化合物薄膜；所述金属薄膜为金薄膜、铬/金双层薄膜、铬/铝双层薄膜、钛/铂/金三层薄膜；所述金属化合物薄膜为InSb薄膜。

所述接地板为网格结构的金属薄膜，或透红外辐射的金属化合物薄膜。

所述金属薄膜或金属化合物薄膜的厚度为0.5～2μm。

本发明的毫米波八木天线，在传统毫米波技术基础上，结合光学光电子技术进行了技术创新，采用金属薄膜或可透某个波段的金属化合物薄膜替代以往的八木天线中的有源、反射和引向振子，采用网格结构的金属薄膜或可透某个波段的金属化合物薄膜替代八木天线中的地板，可以解决透光学辐射的毫米波天线设计问题，将毫米波天线集成到光学介质上，研制出透光学辐射的毫米波天线，实现毫米波天线与光学窗口同轴、共口径、共形，又能相互覆盖整个视场，简化整机结构，实现了毫米波/光学双模无遮挡、同轴、共口径、共形复合探测与识别。利用该毫米波八木天线的双模探测与识别装置，可以克服复合制导所面临的共口径、结构复杂的难点，数据融合处理简单，为毫米波/光学双模复合探测与识别系统的广泛应用奠定基础。

一种上述的毫米波八木天线的制备方法，包括下列步骤：

1)采用真空热蒸发、溅射或脉冲激光沉积技术在介质基片上制备金属薄膜或金属化合物薄膜；

2)对金属薄膜或金属化合物薄膜进行光刻，在介质基片上制备出相应的振子、接地板和馈线图形，去除多余的薄膜；

3)将各层介质基片按顺序层叠粘接，即得。

步骤1)所用介质基片事先采用溶剂进行清洗；清洗所用的溶剂为丙酮。

步骤3)中，采用透光辐射的环氧胶进行层叠粘接。在进行层叠粘接时，可根据天线的工作波段选择光学环氧胶。

本发明的毫米波八木天线的制备方法，是先在各层介质基片上制备金属薄膜或金属化合物薄膜，再进行光刻制备出相应的振子、接地板和馈线图形，将各层介质基片按顺序层叠粘接即得；可根据天线的振子尺寸、形状及振子的数量和排列制作出不同接收频率及增益的毫米波八木天线，该制备方法工艺简单，操作方便，易于自动化控制，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1的蓝宝石毫米波四元八木天线阵列的结构示意图；

图2为图1的正视剖视图；

图3为实施例2的蓝宝石毫米波四元八木天线阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式中，所述毫米波八木天线的制备方法如下：

根据所需毫米波的频率和天线的阵列单元数，设计出八木天线的有源振子、反射振子及引向振子的尺寸和排列关系；根据所设计的八木天线的图形制备相应的光刻模板，采用常规的微电子光刻、腐蚀或剥离技术，通过光刻、腐蚀或剥离，最终制备出所需透光辐射的毫米波八木天线。

具体操作步骤如下：

1)选取介质基片：除了考虑透紫外、可见光与红外辐射外，还要根据八木天线的设计原则确定各层的厚度、介电常数和平整度；所述介质基片可以是平面也可以是曲面形状；

2)根据所需要的频率和选取的介质基片，设计毫米波八木天线阵列的振子形状、元数和排列方式(可以是单元也可以是多元或阵列)，并制备相应的光刻掩膜版；

3)利用光学零件抛光工艺方法，将介质基片各层尺寸及厚度打磨；

4)利用真空热蒸发或溅射方法，在各介质基片上蒸发或溅射一层一定厚度的金属或金属化合物薄膜，利用光刻工艺，在薄膜上光刻出所设计的天线图形；

5)采用湿法刻蚀工艺或剥离工艺，去除掉天线图形以外的金属或金属化合物薄膜，以及除掉电极以外区域的电极薄膜，制备出所设计的天线图形和欧姆接触的电极；

6)采用透光辐射的环氧胶(光学环氧胶)将各层介质基片按顺序层叠粘接，即得。

具体实施方式中，引向振子、有源振子和反射振子之间的距离均依据八木天线原理进行设计；第一层介质基片和第六层介质基片均为介质覆盖层，两层厚度相同；具体实施方式中的八木天线馈电采用平行双线馈电，第四层介质基片与第五层介质基片之和为有源振子与反射振子间距；第二次介质基片与第三层介质基片的厚度相同，且为有效抑制后向辐射，第三层介质基片的厚度略大于有源振子与反射振子的间距。

具体实施方式中，振子、接地网格板和馈线的厚度均为0.5～2μm范围内。

实施例1

本实施例的毫米波八木天线，为蓝宝石毫米波四元八木天线阵列，如图1、2所示，八木天线二级功分器7对称分布在蓝宝石基体1两侧。

如图2所示，本实施例的毫米波八木天线，包括天线本体，所述天线本体包括沿辐射方向依次层叠设置的六层介质基片，从上到下依次为第一层介质基片1-1、第二次介质基片1-2、第三层介质基片1-3、第四层介质基片1-4、第五层介质基片1-5、第六层介质基片1-6，该六层介质基片均为平面形状，材料均为蓝宝石基体材料，工作在3～5μm的光学波段，采用传统的光学加工方法加工而成；该六层介质基片层叠形成蓝宝石基体1。

其中，第四层介质基片1-4的上表面设有有源振子2、下表面对应设有接地网格板5，第二层介质基片1-2、第三层介质基片1-3的上表面相对位置均设有引向振子4，第六层介质基片的上表面相对位置设有反射振子3；第四层介质基片1-4伸出天线本体形成接线端8，所述接线端8的上表面设有与所述有源振子2良好欧姆接触的馈线6，下表面对应设有接地网格板5。

所述有源振子2、引向振子4、反射振子3和馈线6均为铬/金(Cr/Au)薄膜。接地网格板5为网格结构的铬/金(Cr/Au)薄膜。

本实施例的毫米波八木天线的制备方法，包括下列步骤：

1)采用丙酮清洗各层的介质基片；

2)采用真空热蒸发工艺在介质基片上蒸镀铬/金薄膜，厚度为1μm；

3)采用涂胶、曝光、显影等光刻工艺对铬/金薄膜进行处理，在介质基片上制备出需要保留的相应的振子、接地网格板和馈线图形，然后放入碘和碘化钾的混合液中腐蚀掉多余的金，用去离子水冲洗后在丙酮溶液中去除光刻胶，用无水乙醇和去离子水冲洗后放入高锰酸钾溶液中腐蚀掉多余的铬；

4)将加工出的各层介质基片用透红外的环氧胶按顺序层叠粘接，即得蓝宝石毫米波四元八木天线阵列。

实施例2

本实施例的毫米波八木天线，为蓝宝石毫米波四元八木天线阵列，与实施例1不同之处在于(如图3所示)：八木天线二级功分器7非对称分布(即平行分布)于蓝宝石基体1两侧；有源振子、引向振子、反射振子和馈线均为钛/铂/金(Ti/Pt/Au)薄膜。接地网格板为网格结构的钛/铂/金(Ti/Pt/Au)薄膜。

本实施例的毫米波八木天线的制备方法，包括下列步骤：

1)采用丙酮清洗各层的介质基片；

2)采用磁控溅射工艺在介质基片上溅射钛/铂/金薄膜，厚度为0.5μm；

3)采用涂胶、曝光、显影等光刻工艺对钛/铂/金薄膜进行处理，在介质基片上制备出需要保留的相应的振子、接地网格板和馈线图形，然后放入丙酮溶液中浸泡，采用棉签剥离掉多余的金属薄膜后，再用去离子水冲洗；

4)将加工出的各层介质基片用透红外的环氧胶按顺序层叠粘接，即得蓝宝石毫米波四元八木天线阵列。

实施例3

本实施例的毫米波八木天线，为硫化锌毫米波四元八木天线阵列，与实施例1不同之处在于：六层介质基片材料均为CVD-ZnS(化学气相沉积硫化锌材料)，透8～11微米的光学波段，采用单点金刚石车削方法加工而成；该六层介质基片层叠形成硫化锌基体1，基体中心厚度为1.8mm。

本实施例的毫米波八木天线的制备方法，包括下列步骤：

1)采用飞秒脉冲激光沉积方法在各层介质基片上制备出InSb薄膜，厚度为2μm；

2)采用涂胶、曝光、显影等光刻工艺对InSb薄膜进行处理，在介质基片上制备出需要保留的相应的振子、接地网格板和馈线图形，然后放入乳酸溶液中腐蚀掉多余的InSb薄膜，用去离子水冲洗后在丙酮溶液中去除光刻胶，再用无水乙醇和去离子水冲洗；

3)将加工出的各层介质基片用透红外的环氧胶按顺序层叠粘接，即得硫化锌毫米波四元八木天线阵列。

在本发明的其他实施例中，介质基片还可以是曲面形状，得到曲面形状的毫米波八木天线，以实现共形复合探测与识别。

在本发明的其他实施例中，可根据接收频率、增益及工作波段的需要选择不同的透光辐射的基体材料或金属化合物薄膜材料。采用基体材料制备介质基片时采用现有的基体材料加工方法；制备金属薄膜、金属化合物薄膜时根据目标薄膜不同选择真空热蒸发、溅射或脉冲激光沉积工艺；在去除多余薄膜时，根据薄膜的性质选择湿法刻蚀或剥离的工艺。

Claims (8)

1.一种毫米波八木天线，其特征在于：包括天线本体，所述天线本体包括沿辐射方向依次层叠设置的六层介质基片；从上到下，第四层介质基片的上表面设有有源振子、下表面设有接地板，第二层、第三层介质基片的上表面相对位置均设有引向振子，第六层介质基片的上表面相对位置设有反射振子；

所述介质基片为透光学辐射的介质基体；所述有源振子、引向振子、反射振子为金属薄膜或透光学辐射的金属化合物薄膜；所述接地板为网格结构的金属薄膜，或透红外辐射的金属化合物薄膜。

2.根据权利要求1所述的毫米波八木天线，其特征在于：所述透光学辐射的介质基体为氮化硼、二氧化硅、蓝宝石、氟化镁、尖晶石、ALON、ZnS、ZnSe中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的毫米波八木天线，其特征在于：所述金属薄膜为金薄膜、铬/金双层薄膜、铬/铝双层薄膜、钛/铂/金三层薄膜；所述金属化合物薄膜为InSb薄膜。

4.根据权利要求1所述的毫米波八木天线，其特征在于：所述接地板为接地网格板。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的毫米波八木天线，其特征在于：第四层介质基片伸出天线本体形成接线端，所述接线端的上表面设有与所述有源振子良好欧姆接触的馈线，接线端的下表面设有接地板。

6.根据权利要求5所述的毫米波八木天线，其特征在于：所述馈线为金属薄膜或透光学辐射的金属化合物薄膜；所述金属薄膜为金薄膜、铬/金双层薄膜、铬/铝双层薄膜、钛/铂/金三层薄膜；所述金属化合物薄膜为InSb薄膜。

7.一种如权利要求1所述的毫米波八木天线的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)采用真空热蒸发、溅射或脉冲激光沉积技术在介质基片上制备金属薄膜或金属化合物薄膜；

2)对金属薄膜或金属化合物薄膜进行光刻，在介质基片上制备出相应的振子、接地板和馈线图形，去除多余的薄膜；

3)将各层介质基片按顺序层叠粘接，即得。

8.根据权利要求7所述的毫米波八木天线的制备方法，其特征在于：步骤3)中，采用透光辐射的环氧胶进行层叠粘接。