CN109980345B - 一种片上天线及天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种片上天线及天线阵，包括天线基板、设置所述天线基板上表面的贴片天线单元及设置于所述天线基板下表面的CMOS单元，所述CMOS单元包括准同轴馈电结构和共面波导馈电结构，所述贴片天线单元设置有馈电探针，所述准同轴馈电结构与所述馈电探针连接，所述共面波导馈电结构与所述准同轴馈电结构连接；本发明所述片上天线的结构在当前加工、工艺条件下具备好的工程实现性；且采用准同轴馈电结构和共面波导馈电结构，使得所述片上天线具备高的馈电效率，同时使天线具备多通道馈电能力以及耦合校正功能。

Description

一种片上天线及天线阵

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种片上天线及天线阵。

背景技术

随着毫米波技术的发展，毫米波天线、雷达应用越来越多。随着加工和制备工艺的提高，产品的集成度更高、体积更小。片上天线是在晶圆、集成电路、芯片上设计的天线，具有集成度高、结构紧凑、精细的特点，突破了传统天线和有源电路、组件独立设计再集成的模式。而针对CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor互补金属氧化物半导体)结构，为多层金属和氧化物交替堆叠的层状结构，一般附着在硅、锗、砷化镓等基底上。传统的毫米波天线尺寸参数为毫米级，CMOS结构尺寸及维度为微米级，片上天线的结构需将天线单元和CMOS结构二者直接互连，采用常规设置时，天线单元和CMOS结构在尺寸维度上会出现数量级的差异，天线单元和CMOS结构之间结构设置困难。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种片上天线，包括天线基板、设置所述天线基板上表面的贴片天线单元及设置于所述天线基板下表面的CMOS单元，所述CMOS单元包括准同轴馈电结构和共面波导馈电结构，所述贴片天线单元设置有馈电探针，所述准同轴馈电结构与所述馈电探针连接，所述共面波导馈电结构与所述准同轴馈电结构连接。

较佳的，所述天线基板上表面设置所述贴片天线单元，在所述天线基板下设置圆环形馈电通道，所述圆环形馈电通道内侧设置有探针金属贴片，所述探针金属柱与所述探针金属贴片上表面连接，所述圆环形馈电通道的外侧覆铜部作为天线反射地。

较佳的，所述贴片天线单元设置为金属膜，所述贴片天线单元包括三个平行设置的贴片单体，所述馈电探针连接在位于中间位置的所述贴片单体上。

较佳的，所述馈电探针包括若干垂直集束分布的探针金属柱，在所述天线基板内的相邻介质层之间均设置有探针金属贴片，所述探针金属贴片对应所述探针金属柱设置，所述探针金属贴片与相邻所述介质层上的所述探针金属柱均连接。

较佳的，所述准同轴馈电结构包括馈电金属柱和在所述馈电金属柱外围环形分布的围栏金属柱；所述馈电金属柱垂直集束分布构成所述准同轴馈电结构的正极，所述围栏金属柱构成所述准同轴馈电结构的地，所述准同轴馈电结构的正极与所述馈电探针互连。

较佳的，垂直集束分布的所述馈电金属柱位于所述CMOS单元的氧化物层，所述馈电金属贴片位于所述CMOS单元的金属层，所述馈电金属贴片与相邻所述氧化物层中的所述馈电金属柱均连接，所述CMOS单元的各所述金属层均设置有CMOS馈电通道，所述CMOS馈电通道内部为所述馈电金属贴片，所述CMOS馈电通道外侧的金属层部分作为馈电地。

较佳的，在一所述金属层设置有共面波导馈电通道，所述共面波导馈电结构的长条形馈电线设置在所述共面波导馈电通道内，所述共面波导馈电通道宽度大于所述馈电线宽度，使所述长条形馈电线两侧设置有非金属区，所述馈电线从所述金属层所在的所述准同轴馈电结构的正极引出形成馈电接口。

较佳的，所述共面波导馈电通道设置有第一金属地层和第二金属地层，所述第一金属地层和所述第二金属地层分别设置于所述共面波导馈电通道的上方和下方，所述第一金属地层和所述第二金属地层的长度不同。

较佳的，所述围栏金属柱与所述天线反射地、所述CMOS单元中的各所述金属层上的所述馈电地互连。

一种天线阵，包括所述片上天线，若干所述片上天线拓展形成所述天线阵。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明所述片上天线的结构在当前加工、工艺条件下具备好的工程实现性；2，本发明所述片上天线采用“川”字或“山”字形多谐振贴片天线，可解决传统贴片天线带宽窄的问题；3，本发明所述片上天线采用准同轴馈电结构和共面波导馈电结构，使得所述片上天线具备高的馈电效率，同时使天线具备多通道馈电能力以及耦合校正功能。

附图说明

图1为本发明所述片上天线的三维结构示意图；

图2为本发明所述片上天线的局部剖视图；

图3为本发明所述片上天线的局部结构图。

图中数字表示：

1-贴片天线单元；2-天线基板；3-馈电探针；4-共面波导馈电结构；5-准同轴馈电结构；6-天线反射地；7-探针金属柱；8-探针金属贴片；9-馈电金属柱；10-馈电金属贴片；11-围栏金属柱；12-馈电线；13-上层金属地；14-下层金属地。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1所示，图1为本发明所述片上天线的三维结构示意图；本发明所述片上天线包括天线基板2、设置所述天线基板2上表面的贴片天线单元1及设置于所述天线基板2下表面的CMOS单元，所述CMOS单元包括准同轴馈电结构5和共面波导馈电结构4，所述贴片天线单元1设置有馈电探针3。所述馈电探针3可设置为垂直集束分布的探针金属柱7。

如图2所示，图2为本发明所述片上天线的局部剖视图；所述准同轴馈电结构5包括馈电金属柱9和在所述馈电金属柱9外围环形分布的围栏金属柱11；所述馈电金属柱9垂直集束分布构成所述准同轴馈电结构5的正极，所述围栏金属柱11构成所述准同轴馈电结构5的地。所述准同轴馈电结构5的正极与所述馈电探针3互连，所述馈电探针3位于所述准同轴馈电结构5的上方。所述准同轴馈电结构5可作为可拓展接口，可与其他馈电线路互连。

所述共面波导馈电结构4设置于所述CMOS单元中的金属层位置，所述共面波导馈电结构4中的馈电线12从所述金属层所在的所述准同轴馈电结构5的正极引出，与所述CMOS单元中的电路、元器件、芯片等互连。

所述贴片天线单元1设置为具有一定厚度的金属膜，所述贴片天线单元1设置为平行设置的线状结构，较佳的，所述贴片天线单元1包括三个平行设置的贴片单体，所述馈电探针3连接在位于中间位置的所述贴片单体上。所述贴片单体的同一端部还可通过贴片连接，从而将所述贴片天线单元1设置为“川”字或“山”字形结构。

所述天线基板2可选用微波介质板、玻璃基板、陶瓷基板等介质材料，且所述天线基板2采用双面覆铜板。具体的，在所述天线基板2上表面腐蚀或刻蚀出所需尺寸的“川”字或“山”字形的所述贴片天线单元1，在所述天线基板2下表面腐蚀或刻蚀出圆环形馈电通道，即所述圆环形馈电通道内侧设置有圆形的探针金属贴片8，所述探针金属柱7与所述探针金属贴片8上表面连接，所述圆环形馈电通道的外侧覆铜部分作为天线反射地6。

实施例二

所述天线基板2设置为单层介质层的介质板；对应的，所述天线基板2选用双面覆铜板，具体的，在所述天线基板2上表面腐蚀或刻蚀出所需尺寸的“川”字或“山”字形的所述贴片天线单元1，在所述天线基板2下表面腐蚀或刻蚀出圆环形馈电通道，即所述圆环形馈电通道内侧设置有圆形的探针金属贴片8，所述探针金属柱7与所述探针金属贴片8上表面连接，所述圆环形馈电通道的外侧覆铜部分作为天线反射地6。

所述馈电探针3可简单在对应位置设置为一根探针金属柱7，所述探针金属柱7的端部对应与所述贴片天线单元1的连接位置；或在所述馈电探针3和所述准同轴馈电结构5的正极直径较大时，采用圆环形集束分布的多根所述探针金属柱7，所述探针金属柱7形成的圆环中心位置可不设置所述探针金属柱7。

实施例三

若天线工作带宽很宽，所述天线基板2可设置为多层介质层层叠构成的介质板。最上层的所述介质层上表面覆铜板并腐蚀或刻蚀出所需尺寸的“川”字或“山”字形的所述贴片天线单元1，最下层的所述介质层下表面覆铜板腐蚀或刻蚀出所述圆环形馈电通道，其他覆铜区域作为天线反射地6。

在所述介质层中设置若干垂直集束分布的金属柱通孔，所述金属柱通孔用于安装所述探针金属柱7，或者采用生长工艺填充所述金属柱通孔以形成所述探针金属柱7；同时值得指出的是，也可采用将所述金属柱通孔内壁金属化处理，形成具有金属筒柱的通孔结构以替代所述探针金属柱7，并实现与所述探针金属柱7相同的功能。

在相邻所述介质层之间均设置有所述探针金属贴片8，所述探针金属贴片8对应所述探针金属柱7设置，通过将相邻所述介质层上的所述探针金属柱7焊接或粘接在所述探针金属贴片8上，以实现不同所述介质层上所述探针金属柱7之间的承接，以确保所述金属柱整体的有效互连。

实施例四

如图3所示，图3为本发明所述片上天线的局部结构图；所述CMOS单元包括多层金属层和氧化物层，所述金属层和所述氧化物层交替堆叠形成层状基板。所述准同轴馈电结构5的正极由多段垂直集束分布的所述馈电金属柱9、所述馈电金属贴片10垂直互连构成。一般的，所述CMOS单元中包含68层交替层叠的金属层和氧化层，金属层和氧化层是逐层生长出来的，厚度为微米级。采用标准CMOS工艺，逐层生长，可制备出相应的准同轴馈电结构5和共面波导馈电结构4。

具体的，垂直集束分布的所述馈电金属柱9位于所述CMOS单元的氧化物层，所述馈电金属贴片10位于所述CMOS单元的金属层。所述馈电金属贴片10承接相邻所述氧化物层中的所述馈电金属柱9，确保相邻层上所述馈电金属柱9的有效互连。

所述CMOS单元的各所述金属层均设置有圆环形CMOS馈电通道，所述馈电通道内部为所述馈电金属贴片10，所述馈电通道外侧的金属层部分作为馈电地。

所述准同轴馈电结构5的所述围栏金属柱11贯穿所述层状基板，并与所述天线基板2下表面的所述天线反射地6相连。所述围栏金属柱11将所述天线反射地6、所述CMOS单元中的各所述金属层上的所述馈电地互连。

所述共面波导馈电结构4由所述CMOS单元中间一金属层制作出来。在一所述金属层设置有共面波导馈电通道，所述共面波导馈电结构4的长条形馈电线12设置在所述共面波导馈电通道内，所述共面波导馈电通道宽度大于所述条形馈电线12宽度，从而使所述长条形馈电线12两侧设置有一定宽度的非金属区。所述长条形馈电线12从该金属层的所述馈电金属贴片10中心引出，并可传输到任意所需的方位。所述长条形馈电线12可以是几段不同宽度的金属线互连构成。

所述共面波导馈电结构4前段，其上下方均有上方金属地层和下方金属地层构成的地，传输一段距离后转为仅设置所述上方金属地层或所述下方金属地层，所述共面波导馈电结构4可直接与所述CMOS单元中集成电路、元器件、芯片等互连。

具体的，所述准同轴馈电结构5和所述共面波导馈电结构4的馈电端口均可以对天线进行馈电，也可将其中一个馈电端口作为校正耦合端口使用。当将所述共面波导馈电结构4作为馈电端口使用时，所述长条形馈电线12与对应所述金属层上的所述馈电金属贴片10直连；当将所述共面波导馈电结构4作为耦合校正端口使用时，所述长条形馈电线12可不与该金属层CMOS馈电通道中心的圆形金属贴片直连，保留一定间隙。

实施例五

本实施例中给出了一种毫米波片上天线的具体实例。在本实施例中，所述片上天线单元采用“川”字形金属贴片，所述天线基板2设置为三层玻璃晶圆，每层所述玻璃晶圆的厚度为0.25mm，所述馈电探针3设置为三根垂直集束分布的探针金属柱7和相邻所述玻璃晶圆层间的圆形金属贴片互连构成，三根所述探针金属柱7呈等边三角形分布，所述探针金属柱7的直径为0.07mm。

所述玻璃晶圆中所述探针金属柱7通过先在所述玻璃晶圆中开孔再在孔中生长形成。

所述准同轴馈电结构5中心设置为6根集束分布的馈电金属柱9。所述馈电金属柱9呈环形分布，构成正六边形，所述馈电金属柱9直径设置为0.07mm。所述CMOS单元中的所述CMOS馈电通道外侧设有17根直径为0.07mm且环形分布的围栏金属柱11，所述围栏金属柱11构成的馈电地。所述围栏金属柱11实现所述CMOS单元上各金属层之间的相连状态。

在所述共面波导馈电结构4的馈电线12处开设一馈电缺口，所述馈电缺口处未设置有所述围栏金属柱11，即17根所述围栏金属柱11位于正18边形的17个顶点上，在正18边形的未设置所述围栏金属柱11的顶点位置设置有所述馈电缺口，从而保证所述馈电线12和所述共面波导馈电通道的正常设置。

所述共面波导馈电结构4的馈电线12直接从该层金属层的圆形金属贴片引出，其上下金属层构成共面波导馈电结构4的上下地，馈电线12传输一定距离后其上层金属层去除，只保留下层金属地14。

所述贴片天线单元1和所述CMOS单元通过馈电金属柱9和外围的围栏金属柱11保持良好互连。在天线和馈电结构工作区外的区域，可增加加强金属柱以加强玻璃晶圆和CMOS单元之间的互连强度。

值得指出的是，通过将本发明所述片上天线组合形成天线阵，仍具有良好的工程应用价值。

本发明所述片上天线的结构在当前加工、工艺条件下具备好的工程实现性，同时采用“川”字或“山”字形多谐振贴片天线，可解决传统贴片天线带宽窄的问题；采用准同轴馈电结构5和共面波导馈电结构4，使得所述片上天线具备高的馈电效率，同时使天线具备多通道馈电能力，以及耦合校正功能，具有突出创造性，有很高的工程应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种片上天线，其特征在于，包括天线基板、设置所述天线基板上表面的贴片天线单元及设置于所述天线基板下表面的CMOS单元，所述CMOS单元包括准同轴馈电结构和共面波导馈电结构，所述贴片天线单元设置有馈电探针，所述准同轴馈电结构与所述馈电探针连接，所述共面波导馈电结构与所述准同轴馈电结构连接；

所述天线基板上表面设置所述贴片天线单元，在所述天线基板下设置圆环形馈电通道，所述圆环形馈电通道内侧设置有探针金属贴片，所述探针金属柱与所述探针金属贴片上表面连接，所述圆环形馈电通道的外侧覆铜部作为天线反射地；

所述准同轴馈电结构包括馈电金属柱和在所述馈电金属柱外围环形分布的围栏金属柱；多段垂直集束分布的所述馈电金属柱和馈电金属贴片垂直互连构成所述准同轴馈电结构的正极，所述围栏金属柱构成所述准同轴馈电结构的地，所述准同轴馈电结构的正极与所述馈电探针互连；

垂直集束分布的所述馈电金属柱位于所述CMOS单元的氧化物层，所述馈电金属贴片位于所述CMOS单元的金属层，所述馈电金属贴片与相邻所述氧化物层中的所述馈电金属柱均连接，所述CMOS单元的各所述金属层均设置有CMOS馈电通道，所述CMOS馈电通道内部为所述馈电金属贴片，所述CMOS馈电通道外侧的金属层部分作为馈电地；

所述贴片天线单元设置为金属膜，所述贴片天线单元包括三个平行设置的贴片单体，所述馈电探针连接在位于中间位置的所述贴片单体上；所述贴片单体的同一端部通过贴片连接，将所述贴片天线单元设置为“山”字形结构。

2.如权利要求1所述的片上天线，其特征在于，所述馈电探针包括若干垂直集束分布的探针金属柱，在所述天线基板内的相邻介质层之间均设置有所述探针金属贴片，所述探针金属贴片对应所述探针金属柱设置，所述探针金属贴片与相邻所述介质层上的所述探针金属柱均连接。

3.如权利要求1所述的片上天线，其特征在于，在一所述金属层设置有共面波导馈电通道，所述共面波导馈电结构的长条形馈电线设置在所述共面波导馈电通道内，所述共面波导馈电通道宽度大于所述馈电线宽度，使所述长条形馈电线两侧设置有非金属区，所述馈电线从所述金属层所在的所述准同轴馈电结构的正极引出形成馈电接口。

4.如权利要求3所述的片上天线，其特征在于，所述共面波导馈电通道设置有第一金属地层和第二金属地层，所述第一金属地层和所述第二金属地层分别设置于所述共面波导馈电通道的上方和下方，所述第一金属地层和所述第二金属地层的长度不同。

5.如权利要求4所述的片上天线，其特征在于，所述围栏金属柱与所述天线反射地、所述CMOS单元中的各所述金属层上的所述馈电地互连。

6.一种天线阵，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的片上天线，若干所述片上天线拓展形成所述天线阵。

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