CN108963402B - 一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构及制作方法，所述传输结构包括叠加而成的导体层、隔离层以及基板，所述导体层位于隔离层与基板之间，或者隔离层位于导体层与基板之间。本发明提高了加工精度，同时还节省了时间，降低了天线成本，很大程度上解决了射频微波器件及天线的微型化、批量化、集成化和低成本化难题。与此同时，本发明还提出了一种分级分层馈电结构，这种馈电结构降低了天线馈电系统的密集程度，节省了空间，避免了馈电网络间的互耦，减少了馈电损耗，同时也为馈电设计增加了更多的自由度，降低了馈电网络的设计难度和加工难度。

Description

一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构及制作方法

技术领域

本发明涉及射频微波器件及天线技术领域，具体是一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构及制作方法。

背景技术

不论是射频微波器件还是天线，都需要良好的金属导体来保证电磁波信号的传输，导体的电导率越好，其传输过程中的损耗就越低。为了降低传输过程中由导体的电导率所带来的电磁波损耗，我们通常都选用高电导率的材料，例如铜，银等来制造微波器件及天线。更多地，为了降低器件或天线的重量和成本，通常采用表面金属化的工艺来实现实际的生产制作，如铝制波导的内壁覆铜或镀银，塑料电镀铜，介质基板表面覆铜等，基于这些工艺的金属层厚度都很容易达到其所在工作频率的一个甚至几个趋肤深度以上，所以都能很好的满足电磁波的传输需求。但当微波器件或天线越来越微型化，批量化，集成化和低成本化时，传统的机械加工工艺很难满足上述的加工需求。而对于新型的加工工艺，如液晶面板产线的加工工艺而言，加工达到传统的几个趋肤深度厚度以上的金属薄膜导体层，不论是工艺难度还是加工时间或是加工成本，都是一个不容忽视的难题和挑战。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构及制作方法，解决现有的液晶面板产线的加工工艺在加工获得传统的几个趋肤深度以上的导体层时，不仅是工艺难度大，而且加工时间长，加工成本高的问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，包括叠加而成的导体层、隔离层以及基板，所述导体层位于隔离层与基板之间，或者隔离层位于导体层与基板之间。

进一步地，作为优选技术方案，所述导体层为铜、银或铝。

进一步地，作为优选技术方案，所述隔离层为铁、钴或镍。

进一步地，作为优选技术方案，所述基板为硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅、PCB、PI等平面或曲面介质基材中的一种。

一种制作射频微波器件及天线的方法，包括以下步骤：

步骤1-1：采用单层或多层高电导率的金属材料和/或高磁导率的金属材料来互相叠加，利用一个或几个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的良导体来充当导体层；

步骤1-2：利用超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料来充当隔离层，并采用多层叠加的方法，实现电磁波的良好传输；

步骤1-3：利用镀膜、光刻、刻蚀技术，将步骤1中的导体层和步骤2中的隔离层刻蚀成所需要的微波器件或天线的图案；

步骤1-4：利用液晶制盒技术，将液晶材料封装作为基板来制作射频微波器件及天线。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1-1中的良导体为铜、银或铝。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤1-2中的超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料为铁、钴或镍。

一种制作射频微波器件及天线的方法，包括以下步骤：

步骤2-1：采用真空镀膜工艺使导体层与隔离层组成的金属薄膜附着在基板上，液晶材料被灌注在两基板之间构成液晶移相器天线单元，两基板之间的间距为1微米—200微米；

步骤2-2：基于该结构的天线单元在辐射贴片侧，以微带线功分器的形式给每个天线单元馈电，射频信号以微带线孔耦合的方式进入液晶移相层；

步骤2-3：16个天线单元通过与辐射贴片同层的微带线功分器网络组成一个4*4的子阵；

步骤2-4：一个带有扼流槽的波导端口通过地板层的开孔以孔耦合的形式给微带线功分器网络馈电。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤2-3中的子阵还可以是2*4的子阵,、6*6的子阵、4*8的子阵。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤2-3中，以子阵为基础，通过波导功分器馈电网络，按照所需阵元个数组合拼阵满足需求的大尺寸阵列天线。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果是：

(1)本发明充分利用铜材料优异的导电性及镍材料极低的趋肤深度特性，采用叠加架构，使绝大多数的电磁波能量沿着铜层传输，镍层隔绝吸收掉多余的透过铜层的电磁波，在对电磁波能量不进行较大衰减的前提下，避免了电磁波的泄露，达到与纯铜传输线等效的传输特性，同时膜层厚度有效降低，大大提高了生产效率，节省了生产成本。

(2)本发明通过采用单层或多层高电导率的金属材料和(或)高磁导率的金属材料来互相叠加，利用一个或几个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的良导体，如铜、银或铝等充当导体层，利用超高磁导率的趋肤深度为纳米级别的金属材料，如铁、钴或镍等来充当隔离层，采用多层叠加的方法，实现电磁波的良好传输，利用镀膜、光刻、刻蚀技术，将金属镀膜刻蚀成所需要的微波器件或天线的图案，利用液晶制盒技术，将液晶材料封装作为基板来制作射频微波器件及天线，在原有LCD产线的基础上无需过多改动就可以直接加工满足所需要的射频微波器件或天线，无需额外的传统机械加工，由于采用LCD产线上成熟的多层金属薄膜加工工艺，且金属层厚度对于LCD产线镀膜工艺而言也是可以高效完成的，通常射频微波器件或天线的加工精度要求都在微米级别，而LCD面板产线达到这一加工精度是轻而易举的，使用LCD面板的加工产线制造射频微波器件和天线，不仅提高了加工精度，同时还节省了时间，降低了天线成本，很大程度上解决了射频微波器件及天线的微型化、批量化、集成化和低成本化难题。

(3)本发明通过控制加载于回形线与地板间的偏置电压，合理选择各辐射单元之间的相位偏差，就可以使该液晶相控阵天线的波束进行扫描，基于LCD面板制造工艺的液晶相控阵天线相比于传统的无源相控阵天线，具有低成本、低重量、高效率和易于批量化的优点，在5G通信、物联网、低成本动中通等领域将得到广泛的运用。

(4)本发明通过缝隙耦合的形式，在天线馈电系统中采用分层分级馈电结构，与传统的微带功分馈电网络相比，这种馈电形式降低了馈电系统的设计难度，避免了馈电网络过于密集，馈电网络间互耦等问题。主馈电网络采用波导功分器的形式，降低了馈电系统的馈电损耗；分支馈电网络采用微带线的形式，降低了馈电系统的设计难度和加工难度。

附图说明

图1为本发明的传输结构的结构示意图；

图2为本发明的长度为100mm的微带传输线结构示意图；

图3为本发明的长度为100mm的微带传输线结构的传输特性图；

图4为本发明的导电地板采用200纳米的镍层与500纳米的铜层叠加时的传输特性图；

图5为本发明的导电地板采用500纳米单一铜层时的传输特性图；

图6为本发明的实施例2的液晶移相器天线单元的结构示意图；

图7为本发明的实施例2的液晶相控阵天线的结构示意图一；

图8为本发明的实施例2的液晶相控阵天线的结构示意图二；

图9为本发明的实施例2的液晶相控阵天线的结构示意图三；

图10为本发明的实施例2的液晶相控阵天线的结构示意图四；

图11为本发明的实施例3的液晶相控阵天线的结构示意图。

附图中附图标记对应的名称为：601、液晶移相器，602、回形延迟线，603、地板，604、玻璃基板一，605、玻璃基板二，606、孔，607、微带线，701、天线单元，702、辐射贴片，703、微带线功分器，801、子阵，803、开孔，901、扼流槽，902、波导端口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

当射频电磁波沿着导体传播时，电磁波的电流主要分布于导体的表面，这一现象称为趋肤效应，趋肤效应使导体的有效电阻增加。电磁波的频率越高，趋肤效应越显著，衰减系数α越大。高频电磁波只能存在于导体的表面层内。

在射频微波器件和天线的制造过程中，为了保证电磁波传输的稳定性，通常需要金属层厚度达到3个以上的趋肤深度，对于铜而言，其10GHz时3个趋肤深度约为2微米，在利用半导体加工工艺制造过程中，这个金属层厚度一般需要长时间(如几十分钟甚至几个小时)的镀膜工艺来实现，此外，为解决基板和膜层应力不一致问题，整个镀膜工艺过程通常需要分几次完成，相对于传统LCD基板镀膜工艺时每张基板耗时仅需几分钟甚至几十秒，这个时间成本对于产线来说是极其昂贵的。即使不考虑时间成本的显著增加，现有LCD产线基板上的金属膜层工艺一般只需要完成10～600nm的厚度，如果需要在很薄的基板上(例如厚度为0.3～1.5mm的玻璃基板)，尤其是高世代线大尺寸的薄基板(如5代线，尺寸为1100mm×1300mm，厚度为0.5mm的玻璃基板)上完成深度约为2微米的金属层沉膜，现有工艺很难解决基板边缘膜层厚度不均匀以及因应力问题导致的基板变形。这不仅仅影响良品率，增加成本，基板的变形还会增加后续工艺的难度，如果因应力过大导致基板破碎，可能会导致整个工艺进程需要停产清理，这对量产产线造成的损失不言而喻。

从电磁波沿着导体传播特性可知，为了减少电磁波传播损耗，要求金属膜层有更好的电导率和较小的衰减系数；为了降低金属膜层所需的趋肤深度，要求金属膜层有更大的磁导率。

对于磁性金属材料镍而言，其具有与铜等量级的电导率，但是其磁导率是铜的600倍，所以在10GHz时其趋肤深度比铜要小得多，约为55纳米，即使3个趋肤深度也只有165纳米，这对于半导体加工工艺而言是易于实现的。但是其具有较低的趋肤深度的同时，亦具有比铜大得多的衰减系数(10倍以上)，这对于电磁波的传输而言，无遗是致命的。

为此，本实施例通过设计一种新的射频电磁波传输结构来保证电磁波传输特性基本不受影响的前提下，有效解决目前利用半导体工艺加工射频微波器件和天线过程中存在的工艺和成本问题。如图1所示，本实施例所述的一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，包括叠加而成的导体层、隔离层以及基板，在实际应用中，当电磁波在基板(可以为硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅、PCB、PI等平面或曲面介质基材，本实施例中为玻璃)中传输时，传输结构以基板-导体层-隔离层的方式排布，即导体层位于隔离层与基板之间，优选的，本实施例的导体层可采用铜，隔离层采用镍，即采用基板-铜层-镍层的排布方式；当基板仅起结构支撑作用，即电磁波在基板外表面传播时，传输结构以基板-镍层-铜层方式排布，即隔离层位于导体层与基板之间。

本实施例所述的一种制作射频微波器件及天线的方法，包括以下步骤：

步骤1-1：采用单层或多层高电导率的金属材料和/或高磁导率的金属材料来互相叠加，利用一个或几个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的良导体来充当导体层；

步骤1-2：利用超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料来充当隔离层，并采用多层叠加的方法，实现电磁波的良好传输；

步骤1-3：利用镀膜、光刻、刻蚀技术，将步骤1中的导体层和步骤2中的隔离层刻蚀成所需要的微波器件或天线的图案；

步骤1-4：利用液晶制盒技术，将液晶材料封装作为基板来制作射频微波器件及天线。

下面以具体的传输结构来说明其传输特性。

如图2所示为长度100mm的微带传输线结构，当采用厚度为2微米的单一铜层时，其在12GHz的传输特性如图3所示。

将导电地板采用200纳米的镍层与500纳米的铜层叠加时，其在12GHz传输特性如图4所示。

当将导电地板采用500纳米单一铜层时，其在12GHz传输特性如图5所示。

通过对比图3、图4及图5可知，对于100mm长微带传输线而言，采用铜-镍叠加工艺，将金属层厚度由2微米降至700纳米，其损耗增加了约0.12dB，与金属层采用500纳米单一铜层时的损耗差别不大，但是避免了电磁波的穿透泄露问题；同时金属膜层厚度降低到原来的三分之一左右，可以大大提高生产效率，节省生产成本。

实施例2

在本实施例中，本发明基于LCD加工产线的制造工艺，设计了工作在28GHz的基于液晶移相器601的天线，该液晶移相器601结构如图6所示，在该液晶移相器601结构中，回形延迟线602及地板603均以铜镍金属薄膜的形式沉积于玻璃基板604上，液晶被灌注在玻璃基板一604、玻璃基板二605之间，回形延迟线602通过孔606以孔耦合的形式与馈电微带线607进行直流隔离，以便当回形延迟线602被施加偏置电压时该偏置电压不会被导入射频馈电链路里。当施加的偏置电压变化时，液晶的介电常数改变，回形延迟线602部分会产生相位偏移，通过合理的设置偏置电压，就能得到连续可变的相位。

在0.5λ*0.5λ的口面内，通过控制液晶的介电常数可以使移相器601达到连续变化的大于400deg的相位差，且插入损耗小于4dB。

基于该结构的天线单元701如图7所示，在辐射贴片702侧，以微带线功分器703的形式给一对天线单元701馈电，射频信号以微带线607通过孔606以孔耦合的方式进入液晶移相层。更进一步地，基于天线单元701的天线馈电结构如图8，图9所示，16个天线单元701通过与辐射贴片702同层的微带线功分器703网络组成一个4*4的子阵801，一个带有扼流槽901的波导端口902通过地板层的开孔803以孔耦合的形式给微带线功分器703网络馈电。更进一步地，2*4,、6*6、4*8等其它的子阵组合形式也可以实现。以子阵为基础，通过如图10所示的波导功分器馈电网络，就可以按照所需阵元个数组合拼阵满足需求的如图11所示的大尺寸阵列天线。

实施例3

在本实施例中，本发明基于LCD加工产线的制造工艺，设计了工作在28GHz的100mm*100mm口面的液晶相控阵天线。该天线结构如图11所示，在该天线中，辐射贴片和微带走线采用铜镍金属薄膜结构，铜层500纳米，镍层200纳米，电磁波信号主要沿着铜层传输，有一小部分信号穿透铜层被镍层吸收隔离。

在本发明中，射频微带线及天线贴片以铜镍金属薄膜的形式采用真空镀膜的工艺被附着在玻璃基板上，该玻璃基板采用液晶面板常用的量产玻璃，以便于使用现有的液晶面板产线在无需较大改动的前提下就可以快速高效的大批量生产该天线。液晶材料被灌注在两玻璃基板之间，厚度约1微米--200微米，特别地，厚度通常为5微米-10微米。在本发明中，整个天线的加工过程可以完全使用LCD面板的加工产线，无需额外的传统机械加工。由于采用LCD产线上成熟的多层金属薄膜加工工艺，且金属层厚度对于LCD产线镀膜工艺而言也是可以高效完成的。通常射频微波器件或天线的加工精度要求都在微米级别，而LCD面板产线达到这一加工精度是轻而易举的。使用LCD面板的加工产线制造射频微波器件和天线，不仅提高了加工精度，同时还节省了时间，降低了天线成本(参考液晶显示面板的价格)，很大程度上解决了射频微波器件及天线的微型化，批量化，集成化和低成本化难题。

在本发明中，通过控制加载于回形线与地板间的偏置电压，合理选择各辐射单元之间的相位偏差，就可以使该液晶相控阵天线的波束进行扫描，基于LCD面板制造工艺的液晶相控阵天线相比于传统的无源相控阵天线，具有低成本、低重量、高效率和易于批量化的优点，在5G通信、物联网、低成本动中通等领域将得到广泛的运用。

在本发明中，天线的馈电系统采用分层和分级两种形式的馈电结构，与传统的微带功分馈电网络相比，分层馈电降低了馈电网络的密集程度，节省了空间，避免了馈电网络间的互耦，同时也为馈电设计增加了更多的自由度；分级馈电以波导功分器馈电网络的形式，为每一个子阵单元馈电，降低馈电网络损耗的同时，也降低了馈电网络的设计难度和加工难度。

另外，需要说明的是，专利“一种基于超材料电磁特性的相控阵天线”(申请号：2017102884104)中所描述的天线贴片单元结构，或者在这些天线贴片单元结构的基础上衍生出来的具有相同功能的天线装置，都可以采用本发明所述的传输结构和制作方法获得。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，其特征在于：包括叠加而成的导体层、隔离层以及基板，所述导体层位于隔离层与基板之间，或者隔离层位于导体层与基板之间；

采用单层或多层高电导率的金属材料和高磁导率的金属材料来互相叠加，利用0.5-3个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的高电导率的金属材料来充当导体层；

利用超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料来充当隔离层，并采用多层叠加的方法，实现电磁波的良好传输；

利用镀膜、光刻、刻蚀技术，将导体层和隔离层刻蚀成所需要的微波器件或天线的图案；

利用液晶制盒技术，将液晶材料封装作为基板来制作射频微波器件及天线。

2.根据权利要求1所述的一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，其特征在于：所述导体层为铜、银、或铝。

3.根据权利要求1所述的一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，其特征在于：所述隔离层为铁、钴或镍。

4.根据权利要求1所述的一种用于制作射频微波器件及天线的传输结构，其特征在于：所述基板为硅、玻璃、蓝宝石、碳化硅、PI平面或曲面介质基材中的一种。

5.一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1-1：采用单层或多层高电导率的金属材料和高磁导率的金属材料来互相叠加，利用0.5-3个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的高电导率的金属材料来充当导体层；

步骤1-2：利用超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料来充当隔离层，并采用多层叠加的方法，实现电磁波的良好传输；

步骤1-3：利用镀膜、光刻、刻蚀技术，将步骤1中的导体层和步骤2中的隔离层刻蚀成所需要的微波器件或天线的图案；

步骤1-4：利用液晶制盒技术，将液晶材料封装作为基板来制作射频微波器件及天线。

6.根据权利要求5所述的一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于：所述步骤1-1中的良导体为铜、银或铝。

7.根据权利要求5所述的一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于：所述步骤1-2中的超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料为铁、钴或镍。

8.一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤2-1：采用真空镀膜工艺依次使隔离层与导体层以金属薄膜形式附着在基板上，液晶材料被灌注在两基板之间构成液晶移相器天线单元，两基板之间的间距为1微米—200微米；

采用单层或多层高电导率的金属材料和高磁导率的金属材料来互相叠加，利用0.5-3个当前工作频率趋肤深度厚度的基于玻璃镀膜工艺的高电导率的金属材料来充当导体层；

利用超高磁导率的趋肤深度为20-700纳米级别的金属材料来充当隔离层；

步骤2-2：基于该结构的天线单元在辐射贴片侧，以微带线功分器的形式给每个天线单元馈电，射频信号以微带线孔耦合的方式进入液晶移相层；

步骤2-3：16个天线单元通过与辐射贴片同层的微带线功分器网络组成一个4*4的子阵；

步骤2-4：一个带有扼流槽的波导端口通过地板层的开孔以孔耦合的形式给微带线功分器网络馈电。

9.根据权利要求8所述的一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于： 所述步骤2-3中的子阵还是2*4的子阵、6*6的子阵或4*8的子阵。

10.根据权利要求8所述的一种制作射频微波器件及天线的方法，其特征在于：所述步骤2-3中，以子阵为基础，通过波导功分器馈电网络，按照所需阵元个数组合拼阵满足需求的大尺寸阵列天线。