CN109462027B - 一种波导缝隙辐射单元的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导缝隙辐射单元、阵列天线及辐射单元制造方法，属于无线通信技术领域。该辐射单元包括转接板和波导传输体，转接板包括非金属基体，基体上具有连续的金属覆盖层，金属覆盖层覆盖基体的上表面、狭缝内壁以及基体的背面两侧，基体背面两侧的金属覆盖层为两个金属条，波导传输体具有敞口的波导腔，波导腔的两侧各具有一个台阶结构，台阶结构上具有接地结构，波导传输体内还具有位于波导腔前端的馈电探针，转接板扣在波导腔上并将波导腔完全覆盖，转接板的两个金属条压在波导腔两侧的台阶结构上并与接地结构电连接。本发明提高了波导缝隙辐射单元的制造精度，可以保证毫米波波段的波导缝隙阵列天线的良品率。

Description

一种波导缝隙辐射单元的制造方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种波导缝隙辐射单元、阵列天线及辐射单元制造方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，对天线的高增益以及低成本要求越来越高。传统的高增益天线技术，如卡塞格伦天线在使用时，存在不易于低剖面集成的问题，而基于波导缝隙阵列天线具有低剖面的优点，因此被广泛应用于车载卫通通信等领域。

波导缝隙阵列天线，指在金属波导传输结构表面加工出一排半波长的金属缝隙，一端加工出波导口，一端金属封闭实现短路，通过对波导口的馈电，形成天线电磁辐射。

现有技术中，波导缝隙天线通常采用金属材料，在毫米波波段存在缝隙加工精度低、加工难度大、成本高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种波导缝隙辐射单元、阵列天线及辐射单元制造方法，其具有成本低廉、工艺简单的特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种波导缝隙辐射单元，其包括转接板和波导传输体，所述转接板包括非金属基体，所述基体上具有穿透基体的狭缝，所述基体上具有连续的金属覆盖层，所述金属覆盖层覆盖基体的上表面、狭缝内壁以及基体的背面两侧，狭缝处的金属覆盖层构成辐射单元的金属缝隙，基体背面两侧的金属覆盖层为两个金属条，所述波导传输体具有敞口的波导腔，波导腔的两侧各具有一个台阶结构，所述台阶结构上具有接地结构，所述波导传输体内还具有位于波导腔前端的馈电探针，所述转接板扣在所述波导腔上并将波导腔完全覆盖，转接板的两个金属条压在波导腔两侧的台阶结构上并与接地结构电连接。

具体的，所述基体的材质为玻璃，所述金属覆盖层直接附着于基体上。

具体的，所述基体的材质为低阻硅、高阻硅或砷化镓，所述金属覆盖层与基体之间还具有绝缘层。

具体的，所述金属覆盖层由内向外依次包括第一金属溅射层、第二金属溅射层和金属电镀层，所述第一金属溅射层的材质为TiW或Ti，所述第二金属溅射层和金属电镀层的材质为金、银或铜，所述金属缝隙内填充有气密介质。

具体的，所述波导传输体为多层衬底结构，波导传输体的外壁、波导腔的两侧壁及后端壁、波导传输体台阶面处的水平截面、波导传输体台阶中部的水平截面均覆盖有接地金属层，波导传输体下表面的接地金属层上具有馈电镂空区域；

所述馈电探针包括露出于波导腔内的微带线部分以及位于波导传输体夹层中的带状线部分，所述带状线部分连接有下端露出于馈电镂空区域中的馈电金属填充孔；

所述波导传输体的四周边缘处设有贯穿波导传输体上下表面的第一接地金属填充孔，所述波导传输体的台阶结构处设有贯穿台阶面和波导传输体下表面的第二接地金属填充孔，所述馈电镂空区域周围设有用于连接波导传输体下表面接地金属层和上方夹层中接地金属层的第三接地金属填充孔，所述第三接地金属填充孔围绕馈电金属填充孔排布以形成同轴结构。

具体的，所述金属缝隙的倾斜角度为0°～90°。

具体的，所述气密介质为聚酰亚胺或光刻胶。

具体的，所述多层衬底的材质为低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷或印制板。

一种波导缝隙阵列天线，其包括如上任一项所述的波导缝隙辐射单元，所述波导缝隙辐射单元以方阵或三角阵的形式布阵。

一种波导缝隙辐射单元的制造方法，其包括以下步骤：

（1）准备转接板基体材料，所述基体材料为半导体或绝缘体材质，对基体材料进行清洗和干燥，然后通过刻蚀技术在基体材料的正面做出狭槽，狭槽的深度大于转接板成品的厚度；

（2）若基体材料为半导体材质，则通过热氧化工艺在基体材料表面制备绝缘层，否则跳过此步；

（3）通过磁控溅射工艺在基体材料的绝缘表面制备金属溅射层，所述金属溅射层分为两层，第一层的材质为TiW或Ti，用于提高金属溅射层与基体材料之间的粘附力，第二层的材质为金、银或铜；

（4）通过金属电镀方法在金属溅射层的表面制备金属电镀层；

（5）在镀有金属电镀层的狭槽内旋涂具有低介电常数的胶体，然后通过烘烤的方式使胶体固化；如此重复多次，直至狭槽被固化的胶体完全填充；

（6）通过基板减薄工艺对基体材料的背面进行减薄处理，直至露出狭槽内的填充胶体，并达到转接板的设计厚度；

（7）在减薄后基体材料的背面旋涂光刻胶，继而曝光显影，实现金属条区域的图形化，并采用磁控溅射的方式对基体材料的背面进行金属化工艺加工；所述金属条区域位于基体材料背面的两侧；

（8）通过剥离的方式将基体材料背面除金属条区域以外的金属图形去除，制成转接板成品；

（9）准备各层衬底材料；

（10）通过打孔工艺在各层衬底材料上加工出接地孔或馈电孔；

（11）通过机械钻孔、磨削加工工艺在相应衬底材料上加工出对应于波导腔区域的空腔，并在空腔中填充牺牲层材料；

（12）通过丝网印刷法或注浆法对接地孔和馈电孔进行浆料填孔，形成金属填充孔；

（13）通过丝网印刷法在相应衬底材料的表面进行金属布线，生成水平的接地金属层和馈电探针；

（14）通过定位、层叠、层压的方式将各层衬底材料进行堆叠集成，并根据波导传输体的尺寸对多层衬底进行切割，最后通过脱脂、共烧的方式得到成型的波导传输体；

（15）通过光刻胶对波导腔的底面和前端壁进行保护，然后通过滚镀方式在波导传输体的外部侧壁，以及波导腔的两侧壁及后端壁上形成接地金属层，滚镀完成后，通过曝光显影的方式去处光刻胶，得到波导传输体成品；

（16）将转接板成品扣在波导传输体成品上，转接板的两个金属条压在波导传输体的两个台阶结构上，最后通过导电胶、导电胶膜或金属焊接的方式将转接板与波导传输体进行固定，完成波导缝隙辐射单元的制造。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1、与传统技术相比，本发明采用非金属基体制作波导缝隙辐射单元的转接板，具有加工精度高、成本低、重量轻的优势，同时通过在缝隙中填充低介电常数的胶体材料，实现了缝隙天线的气密性。

2、与传统技术相比，本发明进一步采用多层衬底制作波导缝隙辐射单元的波导传输体，并通过第三接地金属填充孔与馈电金属填充孔的设置，形成同轴结构，从而可以直接与外部的有源组件（如功率放大器、低噪声放大器等）进行集成。

总之，本发明通过对转接板和波导传输体的特别设计，提高了波导缝隙辐射单元的制造精度，可以保证毫米波波段的波导缝隙阵列天线的良品率，降低天线的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中波导缝隙阵列天线的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中转接板正面的一种结构示意图；

图3为本发明实施例中转接板背面的一种结构示意图；

图4为本发明实施例中波导传输体的一种外观结构示意图；

图5为本发明实施例中波导传输体的一种多层衬底结构示意图；

图6为本发明实施例中转接板金属缝隙处的层状结构示意图。

图中：1、转接板；2、转接板基体；3、金属缝隙；4、波导传输体；5馈电探针；6、第一金属条；7、第二金属条；8、气密介质；9、金属电镀层；10、金属溅射层；11、绝缘层；12、第一层金属层；13、第二层金属层；14、第三层金属层；15、第四层金属层；16、第三接地金属填充孔；17、馈电金属填充孔；18、第一接地金属填充孔；19、第二接地金属填充孔；20、波导缝隙阵列天线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2、3、4、6所示，一种波导缝隙辐射单元，其包括转接板1和波导传输体4，所述转接板包括非金属基体2，所述基体2上具有穿透基体的狭缝，所述基体2上具有连续的金属覆盖层，所述金属覆盖层覆盖基体的上表面、狭缝内壁以及基体的背面两侧，狭缝处的金属覆盖层构成辐射单元的金属缝隙3，基体2背面两侧的金属覆盖层为两个金属条6、7，所述波导传输体4具有敞口的波导腔，波导腔的两侧各具有一个台阶结构，所述台阶结构上具有接地结构，所述波导传输体4内还具有位于波导腔前端的馈电探针5，所述转接板1扣在所述波导腔上并将波导腔完全覆盖，转接板1的两个金属条6、7压在波导腔两侧的台阶结构上并与接地结构电连接。

可选的，所述基体的材质为玻璃，基体外依次包裹着第一金属溅射层、第二金属溅射层和金属电镀层。

可选的，仍见图6，所述基体的材质为低阻硅、高阻硅或砷化镓，基体2外依次包裹着绝缘层11、金属溅射层10和金属电镀层9，所述金属缝隙内填充有气密介质8。一般来说，金属溅射层可以分为第一金属溅射层和第二金属溅射层，第一金属溅射层的材质为TiW或Ti，主要用于提高金属层与基体间的附着力，所述第二金属溅射层的材质为金、银或铜，金属电镀层的材质根据第二金属溅射层的材质进行选择。

基体上的狭缝可通过MEMS刻蚀体加工工艺实现，绝缘层11可通过半导体氧化工艺进行加工制作，金属溅射层10可通过磁控溅射加工制作，金属电镀层9可通过电镀工艺加工工艺形成。

对基体材质进行选择时应当注意，当转接板的介电常数变大时，天线有效介电常数增大，会导致缝隙尺寸的变小。若缝隙的尺寸过小，则常规的加工精度可能无法保障产品的良品率。

优选的，缝隙辐射单元的形状为矩形，长度为转接板等效的天线工作频率波长的二分之一。

优选的，所述金属条为采用表面溅射后再电镀的工艺制造出的金属层。

可选的，所述波导传输体为多层衬底结构，波导传输体的外壁、波导腔的两侧壁及后端壁、波导传输体台阶面处的水平截面、波导传输体台阶中部的水平截面均覆盖有接地金属层，波导传输体下表面的接地金属层上具有馈电镂空区域；所述馈电探针包括露出于波导腔内的微带线部分以及位于波导传输体夹层中的带状线部分，所述带状线部分连接有下端露出于馈电镂空区域中的馈电金属填充孔；所述波导传输体的四周边缘处设有贯穿波导传输体上下表面的第一接地金属填充孔，所述波导传输体的台阶结构处设有贯穿台阶面和波导传输体下表面的第二接地金属填充孔，所述馈电镂空区域周围设有用于连接波导传输体下表面接地金属层和上方夹层中接地金属层的第三接地金属填充孔，所述第三接地金属填充孔围绕馈电金属填充孔排布以形成同轴结构。

具体来说，这种多层衬底的波导传输体结构如图5所示，波导传输体中包括馈电探针5、第一层金属层12、第二层金属层13、第三层金属层14、第四层金属层15、第三接地金属填充孔16、馈电金属填充孔17、第一接地金属填充孔18和第二接地金属填充孔19。其中：

所述第一接地金属填充孔18阵列排布，并将第一层金属层12、第二层金属层13、第三层金属层14、第四层金属层15进行短路连接；

所述第二接地金属填充孔19阵列排布，并将第二层金属层13、第三层金属层14、第四层金属层15进行短路连接；

所述馈电探针5位于第三层金属层14和第四层金属层15之间；

所述第三接地金属填充孔16以馈电金属填充孔17为圆心进行阵列排放，形成类同轴结构。

转接板背面第一金属条7和第二金属条8的尺寸应不大于台阶的尺寸，金属条和台阶可通过焊接、导电胶粘合或者BGA焊接等方式实现互连固定。

具体的，所述金属缝隙的倾斜角度为0°～90°。

具体的，气密介质可以采用聚酰亚胺或光刻胶等低介电常数材料。

具体的，多层衬底的材质可以为低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷或印制板。

如图1所示，一种波导缝隙阵列天线20，其包括如上任一项所述的波导缝隙辐射单元，所述波导缝隙辐射单元以方阵形式布阵，此外，也可以三角阵形式布阵。根据阵列天线的扫描角度，可计算出波导缝隙天线单元之间的阵元间距，一般为0.5~1工作频段的波长，这些内容是本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。此外，本发明实施例中，天线辐射功能的实现与现有技术相同，此处也不再详细介绍天线的辐射原理。

上述波导缝隙辐射单元的制造方法包括以下步骤：

（1）准备转接板基体材料，所述基体材料为半导体或绝缘体材质，对基体材料进行清洗和干燥，然后通过刻蚀技术在基体材料的正面做出狭槽，狭槽的深度大于转接板成品的厚度；

（2）若基体材料为半导体材质，则通过热氧化工艺在基体材料表面制备绝缘层，否则跳过此步；

（3）通过磁控溅射工艺在基体材料的绝缘表面制备金属溅射层，所述金属溅射层分为两层，第一层的材质为TiW或Ti，用于提高金属溅射层与基体材料之间的粘附力，第二层的材质为金、银或铜；

（4）通过金属电镀方法在金属溅射层的表面制备金属电镀层；

（5）在镀有金属电镀层的狭槽内旋涂具有低介电常数的胶体，然后通过烘烤的方式使胶体固化；如此重复多次，直至狭槽被固化的胶体完全填充；

（6）通过基板减薄工艺对基体材料的背面进行减薄处理，直至露出狭槽内的填充胶体，并达到转接板的设计厚度；

（7）在减薄后基体材料的背面旋涂光刻胶，继而曝光显影，实现金属条区域的图形化，并采用磁控溅射的方式对基体材料的背面进行金属化工艺加工；所述金属条区域位于基体材料背面的两侧；

（8）通过剥离的方式将基体材料背面除金属条区域以外的金属图形去除，制成转接板成品；

（9）准备各层衬底材料；

（10）通过打孔工艺在各层衬底材料上加工出接地孔或馈电孔；

（11）通过机械钻孔、磨削加工工艺在相应衬底材料上加工出对应于波导腔区域的空腔，并在空腔中填充牺牲层材料；

（12）通过丝网印刷法或注浆法对接地孔和馈电孔进行浆料填孔，形成金属填充孔；

（13）通过丝网印刷法在相应衬底材料的表面进行金属布线，生成水平的接地金属层和馈电探针；

（14）通过定位、层叠、层压的方式将各层衬底材料进行堆叠集成，并根据波导传输体的尺寸对多层衬底进行切割，最后通过脱脂、共烧的方式得到成型的波导传输体；

（15）通过光刻胶对波导腔的底面和前端壁进行保护，然后通过滚镀方式在波导传输体的外部侧壁，以及波导腔的两侧壁及后端壁上形成接地金属层，滚镀完成后，通过曝光显影的方式去处光刻胶，得到波导传输体成品；

（16）将转接板成品扣在波导传输体成品上，转接板的两个金属条压在波导传输体的两个台阶结构上，最后通过导电胶、导电胶膜或金属焊接的方式将转接板与波导传输体进行固定，完成波导缝隙辐射单元的制造。

以下为一个更具体的制造方法，包括如下步骤：

（1）准备基体，用丙酮和IPA清洗晶片，然后用氮气吹干，接着在高温下硬烤约数分钟使基体脱水。然后通过深等离子体刻蚀或其他半导体工艺如反应离子刻蚀（RIE）、电子回旋共振（ECR）等刻蚀技术制造加工，在基体上做出狭槽，并通过合理调整压强、功率、气体、气体流量、温度以及时间等工艺参数，保证狭槽的形貌，狭槽的深度要大于天线设计的转接板厚度。

（2）对于硅基体，可以通过热氧化工艺在基体表面制备绝缘层，对于玻璃等其它绝缘基体可以省去此步骤。

（3）通过磁控溅射工艺在绝缘层表面制备金属溅射层，金属溅射层一般包括两层，第一层可以是TiW或Ti，其作用是为了提高金属溅射层与转接板之间的粘附力，第二层金属一般可以为Au、Cu或Ag等金属材料。然后，再通过金属电镀方法在金属溅射层的表面制备金属电镀层，金属电镀层的材质由金属溅射层的第二层材料决定。

（4）在一定的转速下在狭槽内旋涂光刻胶或聚酰亚胺等低介电常数胶体约数十秒，然后采用烘烤的方式进行胶体固化。重复此步骤，最终在狭槽内生成气密介质。然后，可通过抛光或化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子腐蚀等半导体基板减薄工艺，对基板进行减薄处理，首先减至狭槽的槽底，此时狭槽变为穿透基板的狭缝，然后进一步减薄直至达到转接板的设计厚度要求。下一步，在转接板的背面旋涂光刻胶，继而曝光显影，实现金属条的图形化，并采用磁控溅射的方式对转接板背面进行金属化工艺加工，再通过剥离的方式将多余的金属图形去除，从而形成转接板背面两侧处的金属条。至此，制成转接板。

（5）采用多层印制板或者陶瓷基板制作多层衬底结构的波导传输体，工艺步骤为：首先进行生瓷片流延，包括流延酱料的配置、载体选择、除泡、烘干等；然后，通过机械冲压、钻孔或激光打孔等技术实现工艺打孔，做出接地孔和馈电孔；接着，通过机械钻孔、磨削加工工艺制造出面积较大的空腔，并在腔体中填充石蜡、碳基材料或聚合物材料等牺牲层材料，以在后续的多层瓷片层压与烧结中起到支撑的作用，减少台阶腔体的形变量；下一步，通过丝网印刷法或注浆法对接地孔和馈电孔实施浆料填孔；然后，通过丝网印刷的方式对瓷片表面进行金属布线，生成多层金属层与探针；接下来，通过定位、层叠、层压的方式实现多层陶瓷片的堆叠集成，并根据波导传输结构的尺寸对多层瓷片进行切割，最后通过脱脂、共烧的方式获得成型的波导传输结构，再经过滚镀工艺即可完成波导传输结构的制造。

（6）将转接板扣在波导传输体上，转接板的两个金属条压在波导传输体的两个台阶结构上，并通过导电胶或导电胶膜、金属焊接等方式将转接板与波导传输体进行固定，从而完成辐射单元的制造。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种波导缝隙辐射单元的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）准备转接板基体材料，所述基体材料为半导体或绝缘体材质，对基体材料进行清洗和干燥，然后通过刻蚀技术在基体材料的正面做出狭槽，狭槽的深度大于转接板成品的厚度；

（2）若基体材料为半导体材质，则通过热氧化工艺在基体材料表面制备绝缘层，否则跳过此步；

（3）通过磁控溅射工艺在基体材料的绝缘表面制备金属溅射层，所述金属溅射层分为两层，第一层的材质为TiW或Ti，用于提高金属溅射层与基体材料之间的粘附力，第二层的材质为金、银或铜；

（4）通过金属电镀方法在金属溅射层的表面制备金属电镀层；

（5）在镀有金属电镀层的狭槽内旋涂具有低介电常数的胶体，然后通过烘烤的方式使胶体固化；如此重复多次，直至狭槽被固化的胶体完全填充；

（6）通过基板减薄工艺对基体材料的背面进行减薄处理，直至露出狭槽内的填充胶体，并达到转接板的设计厚度；

（7）在减薄后基体材料的背面旋涂光刻胶，继而曝光显影，实现金属条区域的图形化，并采用磁控溅射的方式对基体材料的背面进行金属化工艺加工；所述金属条区域位于基体材料背面的两侧；

（8）通过剥离的方式将基体材料背面除金属条区域以外的金属图形去除，制成转接板成品；

（9）准备各层衬底材料；

（10）通过打孔工艺在各层衬底材料上加工出接地孔或馈电孔；

（11）通过机械钻孔、磨削加工工艺在相应衬底材料上加工出对应于波导腔区域的空腔，并在空腔中填充牺牲层材料；

（12）通过丝网印刷法或注浆法对接地孔和馈电孔进行浆料填孔，形成金属填充孔；

（13）通过丝网印刷法在相应衬底材料的表面进行金属布线，生成水平的接地金属层和馈电探针；

（14）通过定位、层叠、层压的方式将各层衬底材料进行堆叠集成，并根据波导传输体的尺寸对多层衬底进行切割，最后通过脱脂、共烧的方式得到成型的波导传输体；

（15）通过光刻胶对波导腔的底面和前端壁进行保护，然后通过滚镀方式在波导传输体的外部侧壁，以及波导腔的两侧壁及后端壁上形成接地金属层，滚镀完成后，通过曝光显影的方式去处光刻胶，得到波导传输体成品；

（16）将转接板成品扣在波导传输体成品上，转接板的两个金属条压在波导传输体的两个台阶结构上，最后通过导电胶、导电胶膜或金属焊接的方式将转接板与波导传输体进行固定，完成波导缝隙辐射单元的制造。

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