CN109411889A - 天线用正六边形型ebg结构及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线用正六边形型EBG结构及其制造工艺，属于无线通信技术领域，解决了传统EBG结构尺寸大、难以满足小型化要求、各方向上禁带特性参差不齐的问题。主要包括从上至下依次由MARK层、一阶白板层组、线圈层组、底电极层、二阶白板层组叠加而成。本发明大幅度减小了产品尺寸，满足了无线通信领域对EBG结构小型化要求；各个方向上的禁带特性高度一致；工艺流程可靠易行，制造出的产品性能稳定，本发明对贴片天线的性能改善具有重要意义，能广泛应用于无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体地说，尤其涉及一种禁带性能优越、小型化的天线用正六边形型EBG结构及其制造工艺。
背景技术
EBG结构的设计原理主要依据两种机理：第一种是Bragg散射机理，周期排列的单元引起散射波相位的周期性分布，散射波叠加，在特定方向的特定频率上散射波进行反相叠加，互相抵消，表现为阻止电磁波的传播，即形成电磁波禁带。在这种机理下，设计EBG结构时的周期常数a需要满足Bragg条件，即a＝λg/2，其中λg是EBG结构禁带中心频率对应的波长。第二种是局域谐振机理，与Bragg散射机理的不同之处在于，周期单元本身的谐振效应是形成禁带的主要因素。这种EBG结构通过对单元结构形状和相对位置关系的特殊设计，使得该单元可以等效为并联的谐振LC电路，然后利用单元谐振是电抗无穷大的特性，阻止谐振频率附近的电磁波的传播，从而形成电磁波禁带。
传统EBG结构因结构设计原因，生产出的产品尺寸比较大，难以满足现代无线通信领域的小型化要求。比如，最常见的EBG结构多为两层结构，由于层数的限制往往采用在同一平面内增加周期结构的数量来满足EBG结构的禁带性能，同一平面内周期结构数量的增加势必会带来产品尺寸过大的劣势。而且，传统EBG结构的电感线圈形状要么对称性能好的、密排度性能较差，要么密排度性能好的、对称性能较差，表现出来的不足就是在平面各个方向上的禁带特性参差不齐。
此外，传统EBG结构的底电极层为一整个平面平板的形状，银电极层与生带层大面积接触使得层间容易出现开裂现象，产品耐用性能较差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种禁带性能优越、小型化的天线用正六边形型EBG结构及其制造工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种天线用正六边形型EBG结构，从上至下依次由MARK层、一阶白板层组、线圈层组、底电极层、二阶白板层组叠加而成。
优选地，所述MARK层是印刷有MARK图形的生带层，该层数量为一；
所述一阶白板层组包括六层白板层；
所述线圈层组包括18层线圈层，所述线圈层上的线圈是由若干正六边形缺一边的形状的电感线圈周期性排列构成的阵列，每个电感线圈经通孔与下一层线圈层的电感线圈导电连接；
所述底电极层上的线圈是由完整正六边形电感线圈规律排布构成的阵列，并且该电感线圈之间用相互垂直的两个方向的导体直线连接，实现整个底电极层的互连；
所述二阶白板层包括六层白板层。
优选地，所述下一层线圈层上的电感线圈与其上一层线圈层的电感线圈的通孔相对应地位置上增加焊盘结构。
一种天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，包括以下操作步骤：
1).浆料配制；
2).流延：将步骤1)配制好的浆料通过干法流延获得生带，生带附于PET膜上，切断后形成固定尺寸的生带单元；
3).打通孔：将步骤2)的产物按照固定的通孔模式进行激光打孔；
4).打馈电孔：沿着馈电孔圆周轨迹用激光打出密集微孔，中间的生带碎屑脱落后形成大直径馈电孔；
5).清除步骤3)、步骤4)打孔生成的生带碎屑；
6).将步骤5)的产物进行丝网印刷，将线圈层组的每一层线圈层依次印刷，印刷后在烘箱内烘干，烘干后依次放置一边以备叠层；
7).将步骤6)的产物进行利用叠层机进行叠层，叠层之后再利用真空温水进行压紧；
8).切割：利用切割机将步骤7)的产物切成若干正六边形子单元；
9).烧结：将步骤8)的产物进行烧结；
10).底电极的引出：手工将银浆料涂覆到正六边形子单元的相对的两个边的截面上，连接漏在截面处的银线圈，从而将底电极引出，涂覆完后进行烘干；
11).烧银：将步骤11)的产物进行烧银，烧银结束后得到成品。
优选地，所述步骤1)中的浆料配制与传统LTCC浆料配制方法一样，浆料原料为硼硅酸盐玻璃/陶瓷复合体系,复合材料介质常数为4.6-5.0，成分为Al2O3-B2O3-SiO2-R2O,其中R2O为碱金属氧化物，配制陶瓷浆料使用的溶剂为甲苯和异丙醇，增塑剂为己二酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯，粘合剂为聚甲基丙烯酸甲酯，分散剂为磷酸酯。
优选地，所述步骤2)中干法流延获得的生带厚度为50μm；所述步骤3)中的通孔的孔径为80μm；所述步骤4)中的馈电孔的直径为2mm。
优选地，所述烧结的具体操作方法为，先经过6小时的时间升温到200℃，再经过8小时升温到440℃，经过10小时升温到450℃，1小时升温到750℃，然后保温1小时，半小时升温到850℃，保温半小时后冷却到室温。
优选地，所述步骤10)的底电极引出具体方法为：
a.先涂覆一端：将需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的温度环境下烘干一小时；
b.再涂覆另一端：将步骤a的产物取出之后在另一端需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的环境温度下烘干一小时。
优选地，所述步骤11)烧银烧结的温度为650-670℃，时间为2-2.5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结构设计实现了多层化，在保证良好禁带性能前提下，大幅度减小了产品尺寸，满足了无线通信领域对EBG结构小型化要求；
本发明巧妙通过六边形缺一边的形状设计实现线圈层之间的互连，六边形结构实现了最大密排度，并在此前提下实现最佳的方向性对称，有效保证了保证了设计的EBG结构在平面各个方向上的禁带特性高度一致；
本发明底电极层电感线圈采用完整六边形结构，并用相互垂直的两个方向的直线连接，不仅实现了整个底电极层有效互连，而且有效解决了整个底电极层采用平板图形而引发的层间不牢靠的问题；
本发明制造工艺流程可靠易行，制造出的成品玻璃陶瓷结构、银线圈层结构均很均匀；玻璃陶瓷材料与银电极材料的结合良好，无间隙产生；本发明烧结温度把握准确，烧结之后的玻璃陶瓷基体的微观组织结构，基体气孔率很小，致密度良好，排胶充分，烧结后的玻璃陶瓷性能良好；
本发明对抑制贴片天线的表面波，提高天线的辐射效率，增大天线的强向辐射，抑制旁瓣和背瓣辐射，提高天线的增益和方向性等方面具有积极作用，对贴片天线的性能改善具有重要意义，本发明能广泛应用于无线通信技术领域。
附图说明
图1是本发明不同线圈层之间互连连接示意图；
图2是本发明线圈层结构示意图；
图3是本发明底电极层结构示意图；
图4是馈电孔通孔模式；
图5是本发明烧结过程中烧结温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
一种天线用正六边形型EBG结构，其特征在于：从上至下依次由MARK层、一阶白板层组、线圈层组、底电极层、二阶白板层组叠加而成。
优选地，所述MARK层是印刷有MARK图形的生带层，该层数量为一；
所述一阶白板层组包括六层白板层；
所述线圈层组包括18层线圈层，所述线圈层上的线圈是由若干正六边形缺一边的形状的电感线圈周期性排列构成的阵列，每个电感线圈经通孔与下一层线圈层的电感线圈导电连接；
所述底电极层上的线圈是由完整正六边形电感线圈规律排布构成的阵列，并且该电感线圈之间用相互垂直的两个方向的导体直线连接，实现整个底电极层的互连；
所述二阶白板层包括六层白板层。
优选地，所述下一层线圈层上的电感线圈与其上一层线圈层的电感线圈的通孔相对应地位置上增加焊盘结构。
一种天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，包括以下操作步骤：
1).浆料配制；
2).流延：将步骤1)配制好的浆料通过干法流延获得生带，生带附于PET膜上，切断后形成固定尺寸的生带单元；
3).打通孔：将步骤2)的产物按照固定的通孔模式进行激光打孔；
4).打馈电孔：沿着馈电孔圆周轨迹用激光打出密集微孔，中间的生带碎屑脱落后形成大直径馈电孔；
5).清除步骤3)、步骤4)打孔生成的生带碎屑；
6).将步骤5)的产物进行丝网印刷，将线圈层组的每一层线圈层依次印刷，印刷后在烘箱内烘干，烘干后依次放置一边以备叠层；
7).将步骤6)的产物进行利用叠层机进行叠层，叠层之后再利用真空温水进行压紧；
8).切割：利用切割机将步骤7)的产物切成若干正六边形子单元；
9).烧结：将步骤8)的产物进行烧结；
10).底电极的引出：手工将银浆料涂覆到正六边形子单元的相对的两个边的截面上，连接漏在截面处的银线圈，从而将底电极引出，涂覆完后进行烘干；
11).烧银：将步骤11)的产物进行烧银，烧银结束后得到成品。
优选地，所述步骤1)中的浆料配制与传统LTCC浆料配制方法一样，浆料原料为硼硅酸盐玻璃/陶瓷复合体系,复合材料介质常数为4.6-5.0，成分为Al2O3-B2O3-SiO2-R2O,其中R2O为碱金属氧化物，配制陶瓷浆料使用的溶剂为甲苯和异丙醇，增塑剂为己二酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯，粘合剂为聚甲基丙烯酸甲酯，分散剂为磷酸酯。
优选地，所述步骤2)中干法流延获得的生带厚度为50μm；所述步骤3)中的通孔的孔径为80μm；所述步骤4)中的馈电孔的直径为2mm。
优选地，所述烧结的具体操作方法为，先经过6小时的时间升温到200℃，再经过8小时升温到440℃，经过10小时升温到450℃，1小时升温到750℃，然后保温1小时，半小时升温到850℃，保温半小时后冷却到室温。
优选地，所述步骤10)的底电极引出具体方法为：
a.先涂覆一端：将需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的温度环境下烘干一小时；
b.再涂覆另一端：将步骤a的产物取出之后在另一端需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的环境温度下烘干一小时。
优选地，所述步骤11)烧银烧结的温度为650-670℃，时间为2-2.5h。
实施例1：
本实施例从上至下依次由MARK层、一阶白板层组、线圈层组、底电极层、二阶白板层组叠加而成。其中，MARK层是印刷有MARK图形的生带层，该层数量为一；一阶白板层组包括六层白板层；线圈层组包括18层线圈层，线圈层上的线圈是由若干正六边形缺一边的形状的电感线圈周期性排列构成的阵列，每个电感线圈经通孔与下一层线圈层的电感线圈导电连接；底电极层上的线圈是由完整正六边形电感线圈规律排布构成的阵列，并且该电感线圈之间用相互垂直的两个方向的导体直线连接，实现整个底电极层的互连；二阶白板层包括六层白板层。本实施例实现了多层式结构设计，在减小整体尺寸上有很好的优势。线圈层结构示意图如说明书附图图2所示，设计的EBG结构线圈层线圈为缺少一边的正六边形，通过通孔与下一层连接，(如说明书附图图1所示，Hole指通孔，Pad指焊盘)，在各层线圈的连接时，每个线圈在相应位置上增加了焊盘结构，目的是承接上层的通孔，使各层实现有效互连。巧妙通过六边形缺一边的形状设计实现线圈层之间的互连，六边形结构实现了最大密排度，并在此前提下实现最佳的方向性对称，有效保证了保证了设计的EBG结构在平面各个方向上的禁带特性高度一致。
底电极层结构示意图如说明书附图图3所示，底电极层设计成此形状而不是整个平面平板的形状，目的是为了避免银电极层和生带层大面积接触而形成的层间开裂的现象。本实施例底电极层电感线圈采用完整六边形结构，并用相互垂直的两个方向的直线连接，不仅实现了整个底电极层有效互连，而且有效解决了整个底电极层采用平板图形而引发的层间不牢靠的问题。
实施例2：
本实施例是实施例1的制造工艺，其包括以下操作步骤：
1).浆料配制；
浆料配制与传统LTCC浆料配制方法一样，浆料原料为硼硅酸盐玻璃/陶瓷复合体系,复合材料介质常数为4.6-5.0，成分为Al2O3-B2O3-SiO2-R2O,其中R2O为碱金属氧化物，配制陶瓷浆料使用的溶剂为甲苯和异丙醇，增塑剂为己二酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯，粘合剂为聚甲基丙烯酸甲酯，分散剂为磷酸酯；
2).流延：将步骤1)配制好的浆料通过干法流延获得厚度为50μm的生带，生带附于PET膜上，切断后形成固定尺寸的生带单元；
3).打通孔：每张生带按照固定的通孔模式进行激光打孔，激光打孔的孔径为80μm；所谓固定通孔模式就是如说明书附图图1所示，在需要通孔的地方打孔；
4).打馈电孔：沿着馈电孔圆周轨迹用激光打出密集微孔，中间的生带碎屑脱落后形成大直径馈电孔；
由于设计中间馈电孔的直径为2mm，所以激光打孔无法实现如此大尺寸的孔，馈电孔的实现方案的通孔模式是：在预留馈电孔的大圆周上用打出密集微孔(如说明书附图图4所示)，中间的生带碎屑脱落后形成大直径馈电孔。
5).清除步骤3)、步骤4)打孔生成的生带碎屑；
6).将步骤5)的产物进行丝网印刷，将线圈层组的每一层线圈层依次印刷，印刷后在烘箱内烘干，烘干后依次放置一边以备叠层；
本实施例无需通孔填充步骤，因为通孔填充是在印刷的过程中同时完成的，由于印刷机刮刀的压力，会有多余的银浆挤到生带的背面，这也是检验通孔是否有效填充的一个标准，PET膜的作用除了作为生带的载体之外，还有一个作用就是可以形成设计的通孔形状，因为填孔的多余浆料都附在PET膜上，在叠层的过程中PET膜会被去除，通孔的背面就不会有多余的银浆存在，保证了通孔形状的准确性。
7).将步骤6)的产物进行利用叠层机进行叠层，叠层之后再利用真空温水进行压紧；
8).切割：利用切割机将步骤7)的产物切成若干正六边形子单元；
9).烧结：将步骤8)的产物进行烧结；烧结过程比较讲究，温度调控稍有偏离，对最终的产品的性能影响很大。很多企业因为在烧结工序温度把握不准，导致制造出的EBG结构产品性能较差，使用寿命较短。本实施例烧结过程具体为：经过6小时的时间升温到200℃，再经过8小时升温到440℃，经过10小时升温到450℃，1小时升温到750℃，然后保温1小时，半小时升温到850℃，保温半小时后冷却到室温；烧结温度曲线如说明书附图图5所示，从图中可以看出，本实施例烧结最高温度为850℃，低于960℃银的熔点，实现了银与玻璃陶瓷的低温共烧。450℃之前升温较慢，且保温时间较长，主要原因是保证浆料中混合的有机添加剂的充分分解以及排除，保证在烧结过程中玻璃陶瓷基体中的气孔最少，使产品最终具有很好的致密度。750℃和850℃两个温度点的升温速度较快，且保温时间短，是为了保证玻璃陶瓷基体中的晶体结构不会过度生长，以形成结构均匀且晶粒细小的基体组织，而且低温烧结过程中银电极的性能稳定。
10).底电极的引出：手工将银浆料涂覆到正六边形子单元的相对的两个边的截面上，连接漏在截面处的银线圈，从而将底电极引出，涂覆完后进行烘干；
对于烧结之后的样品，由于在各个设计方案的叠层顺序中，底电极的下面都设计有6层的白板层，目的是增加EBG结构基体的强度，但是因为设计的EBG结构在后续的实验过程中要整合成贴片天线的结构，而且在贴片天线的测试过程中需要将底电极与同轴馈电连接线的外导体相连，所以有必要将底电极引出，以备后续工作中把设计好的EBG结构加入到天线的基底中。因为截面处必然含有在切割过程中漏在外面的银线圈，所以本设计采用的方法是将银浆料手工涂覆到切割外形的正六边形的相对的两个边的截面上，连接漏在截面处的银线圈，从而将底电极引出。在引出底电极的过程中出现的问题是：由于是手工沾银，沾银的用量不容易控制，而且不容易在外观上沾到线条齐平，而且银浆容易污染到样品的表面，造成外观不干净，虽然可以容溶剂把不需要的银浆擦洗掉，但是很难做到彻底清洁干净，如果有残存的银浆留在样品表面，烧银之后的表面将看到渍印，影响美观，所以在之后的沾银过程中使用的方法是：用将需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，这样即可以形成整齐的外观形状，有可以防止银浆沾到其他的地方。该工序有效解决传统EBG结构应用到天线基板需要另加连接部件的问题，本实施例可直接加入到天线基板内，不仅缩短装配工序，也大幅度降低天线制造成本。
由于端电极需要在两端分别引出，所以采用的方法是涂覆完一端后，将样品至于烘干炉，在150℃下烘干一小时，取出之后再进行令一端的涂覆。由于发泡胶在150℃时会发泡失去粘性而脱落，所以应该在一端烘干之后再进行另一端的发泡胶的粘贴，两端都引出之后进行烧银。
11).烧银：将步骤11)的产物进行烧银，烧银结束后得到成品。本实施例烧银烧结最高温度670℃，烧结时间为两小时。
用显微镜观察印刷之后的银线圈结构，银线圈印刷结构均匀，线条完整，印刷质量良好；印刷的银浆线条整齐，厚度均匀，没有出项印刷边缘塌落的现象；底电极层电感线圈采用完整六边形结构，并用相互垂直的两个方向的直线连接，不仅实现了整个底电极层有效互连，而且有效解决了整个底电极层采用平板图形而引发的层间不牢靠的问题；各层的银线圈排列均匀，层间结合紧密，通孔部位在叠层之后有充分的有效孔径，显示各层之间的银线圈在叠层之后实现了有效的互连。
随机取样将本实施例取烧结之后的EBG结构进行断面分析，分析发现本实施例玻璃陶瓷结构均匀，银线圈层结构也比较均匀；通孔实现了各层线圈之间的可靠连接；玻璃陶瓷材料与银电极材料的结合良好，没有产生间隙，说明该成分玻璃陶瓷与银的收缩率以及共烧性能匹配，收缩率匹配；烧结之后的玻璃陶瓷基体的微观组织结构，基体气孔率很小，致密度良好，说明烧结过程中排胶充分，烧结后的玻璃陶瓷性能良好。
另外，本实施例MARK层下的白板层与底电极层下的白板层形成对称式结构，在烧结过程中收缩率相同，不会导致产品发生翘曲现象。
本实施例对抑制贴片天线的表面波，提高天线的辐射效率，增大天线的强向辐射，抑制旁瓣和背瓣辐射，提高天线的增益和方向性等方面具有积极作用，对贴片天线的性能改善具有重要意义，本实施例能广泛应用于无线通信技术领域。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种天线用正六边形型EBG结构，其特征在于：从上至下依次由MARK层、一阶白板层组、线圈层组、底电极层、二阶白板层组叠加而成。
2.根据权利要求1所述的天线用正六边形型EBG结构，其特征在于：
所述MARK层是印刷有MARK图形的生带层，该层数量为一；
所述一阶白板层组包括六层白板层；
所述线圈层组包括18层线圈层，所述线圈层上的线圈是由若干正六边形缺一边的形状的电感线圈周期性排列构成的阵列，每个电感线圈经通孔与下一层线圈层的电感线圈导电连接；
所述底电极层上的线圈是由完整正六边形电感线圈规律排布构成的阵列，并且该电感线圈之间用相互垂直的两个方向的导体直线连接，实现整个底电极层的互连；
所述二阶白板层包括六层白板层。
3.根据权利要求1或2所述的天线用正六边形型EBG结构，其特征在于：所述下一层线圈层上的电感线圈与其上一层线圈层的电感线圈的通孔相对应地位置上增加焊盘结构。
4.根据权利要求1-3任一所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于，包括以下操作步骤：
1).浆料配制；
2).流延：将步骤1)配制好的浆料通过干法流延获得生带，生带附于PET膜上，切断后形成固定尺寸的生带单元；
3).打通孔：将步骤2)的产物按照固定的通孔模式进行激光打孔；
4).打馈电孔：沿着馈电孔圆周轨迹用激光打出密集微孔，中间的生带碎屑脱落后形成大直径馈电孔；
5).清除步骤3)、步骤4)打孔生成的生带碎屑；
6).将步骤5)的产物进行丝网印刷，将线圈层组的每一层线圈层依次印刷，印刷后在烘箱内烘干，烘干后依次放置一边以备叠层；
7).将步骤6)的产物进行利用叠层机进行叠层，叠层之后再利用真空温水进行压紧；
8).切割：利用切割机将步骤7)的产物切成若干正六边形子单元；
9).烧结：将步骤8)的产物进行烧结；
10).底电极的引出：手工将银浆料涂覆到正六边形子单元的相对的两个边的截面上，连接漏在截面处的银线圈，从而将底电极引出，涂覆完后进行烘干；
11).烧银：将步骤11)的产物进行烧银，烧银结束后得到成品。
5.根据权利要求4所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于，所述步骤1)中的浆料配制与传统LTCC浆料配制方法一样，浆料原料为硼硅酸盐玻璃/陶瓷复合体系,复合材料介质常数为4.6-5.0，成分为Al2O3-B2O3-SiO2-R2O,其中R2O为碱金属氧化物，配制陶瓷浆料使用的溶剂为甲苯和异丙醇，增塑剂为己二酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯，粘合剂为聚甲基丙烯酸甲酯，分散剂为磷酸酯。
6.根据权利要求4所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于：所述步骤2)中干法流延获得的生带厚度为50μm；所述步骤3)中的通孔的孔径为80μm；所述步骤4)中的馈电孔的直径为2mm。
7.根据权利要求4所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于：所述烧结的具体操作方法为，先经过6小时的时间升温到200℃，再经过8小时升温到440℃，经过10小时升温到450℃，1小时升温到750℃，然后保温1小时，半小时升温到850℃，保温半小时后冷却到室温。
8.根据权利要求4所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于，所述步骤10)的底电极引出具体方法为：
a.先涂覆一端：将需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的温度环境下烘干一小时；
b.再涂覆另一端：将步骤a的产物取出之后在另一端需要沾银的附近用发泡胶覆盖，只露出需要涂银的地方，涂覆完后，将该产物至于烘干炉，在150℃的环境温度下烘干一小时。
9.根据权利要求4所述的天线用正六边形型EBG结构的制造工艺，其特征在于：所述步骤11)烧银烧结的温度为650-670℃，时间为2-2.5h。
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