CN110707427A - 一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线 - Google Patents

一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，包含若干个双频双极化天线单元，每个双频双极化天线单元采用层叠结构，由低频段辐射单元、高频段辐射单元、两个频段馈电结构以及金属接地板组成。低频段辐射单元开方形孔，置入高频段辐射单元以实现共口径。采用高阻硅作为介质基板，极大减小阵元尺寸，满足小型化需求。通过挖空一层硅基引入空气层的方式来展宽天线带宽。本发明共口径双频双极化宽带阵列天线能够同时工作在频率比约为2的两个频段，两个频段的特征都是双极化，天线阵布局合理，具有结构简单、尺寸小、极化性能好、天线隔离度高等优点。

Description

一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，能够作为射频收发前端天线，可以应用于移动通信、相控阵雷达等无线系统。
背景技术
随着移动通信、卫星通信以及雷达等无线通信技术的快速发展,无线通信系统向低成本、平面化、小型化、多功能化发展。为了适应通信系统的发展，现阶段天线设计应当能集多种功能于一体。双极化工作天线能有效解决路径衰落问题，减小天线数量，降低天线成本，实现极化分集、极化捷变特性；为了实现多系统共用和收发共用，天线的设计还必须满足多频率工作要求。基于上述需求，双频双极化天线因其体积小、成本低、重量轻、频带利用率高、通信容量大等特点获得了广泛的关注与研究。
硅基MEMS三维异构技术通过高精度、高一致性、高密度三维互联，实现芯片和封装的一体化集成设计，可以大大减小系统体积、重量。在硅基异构高精度三维集成研究领域国内还处于起步阶段。通过初期探索，我国在GaAs MMIC芯片与硅基异构集成、硅基集成无源器件(IPD)与TSV集成、多层金属重布线、硅转接板三维堆叠和三维圆片级封装等多项单步工艺上取得了突破。利用硅基MEMS工艺可以将硅基天线与硅基射频系统有效，实现天线-射频一体化，提高了集成度，大大降低了天线射频系统的体积。
本发明一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，通过硅基高密度三维集成工艺实现，提供了一种结构简单、尺寸小、极化性能良好、隔离度高的共口径双频双极化阵列天线，为射频集成微系统提供了一种可靠的天线设计方案。
对现有技术进行了国内外数据库的检索，授权专利CN101714701A“双频双极化天线阵列”，公开日期2010年5月26日，介绍了一种频段间耦合较小的双频双极化天线阵列，高低频段天线单元采用不同的辐射单元形式增加异频隔离，且错位上下排布于同一轴线，相比于本发明挖空硅基引入空气层的方式，上方天线辐射单元利用介质支撑杆支撑，其结构较为复杂，稳定性较差。
授权专利CN103606757A“一种双频双极化天线阵”，公开日期2014年2月26日，介绍了一种适用于无线局域网、WiMax等网络的双频双极化天线，由水平基板、N个水平极化天线和N个垂直极化天线组成，水平极化天线集成在水平基板，垂直极化天线垂直插放于水平基板的凹槽中，水平极化天线和垂直极化天线交错分布于同一圆周，相比于本发明，垂直插入的方式使得天线结构存在不稳定性，垂直放置的天线馈电点悬于半空，难以进行测试。
授权专利CN2845198“双频双极化天线”，公开日期2006年12月6日，介绍了一种结构紧凑、耦合较小的双频双极化天线，改型偶极子高频辐射单元排列与低频辐射单元的上方，高频辐射单元通过在高频辐射单元与反射板之间架设辅助反射板的方式及在高频辐射单元基本同一平面内四周加多导电体的方式限制波束宽度。与本发明方阵排布相比，高、低频辐射单元一条直线排布，纵向长度较长，不利于小型化。
桂林电子科技大学徐永杰“Ku波段宽带双频双极化微带天线阵的设计”利用口径耦合理论、反相馈电技术以及单层微带贴片结构实现了微带天线阵，双极化端口隔离度小于-33dB，相对阻抗带宽优于6.9％，性能良好，相比于本发明的双层结构，单层微带贴片结构限制了两个频段的频率比，并且一个频段对应于一个极化方向的特点，使其在应用方面存在局限性。
国防科技大学赵后亮“宽带双频双极化缝隙耦合微带天线技术研究波段”设计了P波段2元缝隙耦合微带贴片天线阵列和X波段4x4元缝隙耦合微带贴片阵列，通过在P波段天线阵列的接地板上开设X波段天线阵列的电磁波窗口的方法实现双频段的共口径，获得了宽频带、高隔离度以及低交叉极化电平等优良性能，相比于本发明在地板上开较小耦合缝隙，在P波段接地板中心开大口径会引起较大的后向辐射，影响P波段天线阵列辐射。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，基于硅基高密度三维集成技术，将高频段天线辐射单元嵌套于低频段天线辐射单元之内实现共口径，在保证电性能指标的同时，实现了天线小型化、轻量化；双频双极化天线同时工作在两个频段，两个频段天线工作频率比约为2，且两个频段的特征都是双极化。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，包含若干个双频双极化天线单元，所述双频双极化天线单元包含双极化的高频段天线单元和双极化的低频段天线单元，所述高频段天线单元嵌套于对应的所述低频段天线单元内实现共口径；
所述高频段天线单元和所述低频段天线单元通过硅基高密度三维集成方法形成四层硅基堆叠结构，由上至下依次为第一硅基层、第二硅基层、第三硅基层和第四硅基层；所述第一硅基层的上表面设有低频段上层金属层，所述第一硅基层的下表面为高频段上层金属层；所述第二硅基层上开设有挖槽；所述第三硅基层的上表面设有低频段下层金属层、高频段下层金属层以及低频段馈线；所述第四硅基层的上表面设置蚀刻有正交耦合缝隙的金属接地板，所述第四硅基层的下表面设有高频段馈线。
优选地，每层硅基层是由高阻硅作为单层介质基板；四层硅基层通过微凸点键合实现三维堆叠，所述四层硅基层的边缘重合；所述第二硅基层的中间开设所述挖槽，所述第二硅基层的四周留有一定宽度的边缘。
优选地，所述高频段天线单元为Ka频段天线单元，所述低频段天线单元为Ku频段天线单元；所述低频段上层金属层为Ku频段上层金属贴片，所述高频段上层金属层为Ka频段上层金属贴片，所述低频段下层金属层为Ku频段下层金属贴片，所述高频段下层金属层为Ka频段下层金属贴片，所述低频段馈线为Ku频段馈线，所述高频段馈线为Ka频段馈线。
优选地，所述高频段上层金属层、所述高频段下层金属层、所述低频段上层金属层和所述低频段下层金属层均采用方形金属贴片；所述高频段上层金属层小于所述高频段下层金属层，所述低频段上层金属层小于所述低频段下层金属层。
优选地，所述低频段上层金属层与所述低频段下层金属层上分别开设有适配且尺寸相同的第一孔和第二孔，所述高频段上层金属层与所述高频段下层金属层对应地置于所述第一孔和所述第二孔中，用以实现共口径。
优选地，所述高频段上层金属层、所述高频段下层金属层、所述低频段上层金属层和所述低频段下层金属层的中心位于同一垂直轴线上，且各金属层边缘平行放置。
优选地，所述高频段上层金属层和/或所述高频段下层金属层的边长为对应高频段的半个波长，所述低频段上层金属层和/或所述低频段下层金属层的边长为对应低频段的半个波长。
优选地，所述金属接地板上蚀刻有两条相互垂直正交的耦合缝隙，所述耦合缝隙的长边与对应方向的金属层边缘平行。
优选地，所述低频段天线单元通过相互垂直正交的所述低频段馈线进行馈电，用以激励两个正交的极化，所述低频段馈线与所述低频段下层金属层共面；所述高频段天线单元通过所述高频段馈线激励正交的所述耦合缝隙馈电，垂直正交的耦合缝隙用于激励两个正交的极化。
优选地，相邻的双频双极化天线单元的中心距离等于0.55个低频段波长。
优选地，所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线包含n×n个相同的所述双频双极化天线单元，n>2，多个所述双频双极化天线单元等间距扩展组阵；所述双频双极化天线同时工作在高频段和低频段，所述高频段天线单元和所述低频段天线单元的工作频率比为2。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明的双频双极化阵列天线基于硅基高密度三维集成技术，极大程度上减小了天线的体积，实现了小型化；(2)本发明为了引入空气层来展宽天线带宽，在硅基中心挖方形孔而非加入介质填充的方式使得天线各硅基板之间的连接更为紧密，结构更稳定；(3)本发明在保证电性能指标的同时，将高频段天线辐射单元嵌套于低频段天线辐射单元之内，实现了共口径，减小了天线的体积和重量；(4)本发明双频双极化天线能够同时工作在两个频段，两个频段天线工作频率比为2，且每个频段都是双极化特性；(5)本发明小型化共口径双频双极化阵列天线，阵元布局合理，具有结构简单、尺寸小、极化性能好、天线隔离度高等优点，适用于移动通信、雷达等无线通信系统。
附图说明
图1为本发明的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线俯视图；
图2为本发明的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线层叠结构示意图；
图3为本发明的硅基小型共口径双频双极化宽带天线三维示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
本发明公开了一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其包含n×n个(n>2)相同的双频双极化天线单元，如图1所示，该硅基小型共口径双频双极化宽带天线包含16单元的双频双极化天线单元，阵列天线以单元为基础，等间距扩展组阵，16个天线单元以4×4的排列正方形口面上。
每个双频双极化天线单元包含高频段天线辐射单元和低频段天线辐射单元，每个高频段天线辐射单元(即Ka频段天线单元)嵌套于对应的低频段天线辐射单元(Ku频段天线单元)之内实现共口径，则在保证电性能指标的同时，实现了天线小型化、轻量化。
本发明的双频双极化天线同时工作在两个频段(Ka频段、Ku频段)，两个频段天线单元的工作频率比约为2，且两个频段的各天线单元都是独立的双极化天线单元。
如图1-图3所示，本发明采用硅基高密度三维集成工艺，MIMO阵列天线为四层硅基和五层覆铜结构，即阵列天线由四层高阻硅作为介质基板堆叠而成，且由上至下依次为第一层硅基、第二层硅基、第三层硅基和第四层硅基。其中，第一层硅基的上表面设有低频段上层金属贴片(正方形环状)，第一层硅基的下表面为高频段上层金属贴片。第二层硅基上开设有四周留有一定边缘的中心挖孔。第三层硅基的上表面设有低频段下层金属贴片(正方形环状)、高频段下层金属贴片以及低频段馈线，第四层硅基的上表面设置蚀刻有正交耦合缝隙的金属接地板。第四层硅基的下表面设有高频段馈线。
如图1所示，本实施例中，Ka频段天线单元(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14、A15、A16)分别对应地嵌套在Ku频段天线单元(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15、B16)内部。每个Ka频段天线单元和Ku频段天线单元形成独立的双频双极化天线单元。
如图2和图3结合所示，阵列天线从上至下依次为Ku频段天线单元的上层金属贴片1，第一硅基层2，Ka频段天线单元的上层金属贴片3，第二硅基层4，Ku频段天线单元的下层金属贴片5与Ka频段天线单元的下层金属贴片12及Ku频段天线单元的馈线10，第三硅基层6，金属接地板7、第四硅基层8，Ka频段馈线9。
具体地：四层高阻硅作为介质基板堆叠而成，由上至下依次为第一层硅基2、第二层硅基4、第三层硅基6和第四层硅基8。第一层硅基2的上表面设有Ku频段上层金属贴片(正方形环状)，第一层硅基2的下表面为Ka频段上层金属贴片3。第二层硅基4上开设有四周留有一定边缘的中心挖孔13。第三层硅基6的上表面设有Ku频段下层金属贴片5(正方形环状)、Ka频段下层金属贴片12以及Ku频段馈线10，第四层硅基8的上表面设置蚀刻有正交耦合缝隙的金属接地板7，第四层硅基8的下表面设有Ka频段馈线9。
本实施例中，优选采用尺寸为20mmx20mmx0.2mm的高阻硅作为单层介质基板；并且，采用微凸点键合(焊球/凸点)实现上述四层硅基板的三维堆叠，且四层硅基板的边缘完全重合。如图3所示，第二硅基层4的中间挖有方形槽13，且四周留500um-700um宽度的边缘15。考虑到双频双极化天线单元与硅基板的尺寸，每个四层堆叠硅基结构可以集成四个双频双极化天线单元，16个天线单元需要四个所述四层堆叠硅基结构组合而成，最终MIMO阵列天线尺寸为40mmx40mm x0.8mm。
如图2-图3所示，Ka频段上层金属贴片3与Ka频段下层金属贴片12，以及Ku频段上层金属贴片1与Ku频段下层金属贴片5均采用长方形或正方形金属贴片，即低频段天线单元和高频段天线单元均采用微带方形贴片单元，易于实现双极化功能。Ka频段、Ku频段的上层金属贴片对应的尺寸分别略小于下层金属贴片，即Ka频段上层金属贴片3对应的尺寸略小于Ka频段下层金属贴片12以及Ku频段上层金属贴片1尺寸略小于Ku频段下层金属贴片5，从而形成不同谐振点，达到展宽带宽的目的。
如图2-图3所示，Ku频段上层金属贴片1与Ku频段下层金属贴片5上分别开设有方形孔14-1和方形孔14-2(方形孔14-1和方形孔14-2尺寸相同)，Ka频段上层金属贴片3与Ka频段下层金属贴片12对应地置于Ku频段上、下层金属贴片的方形孔14-1和方形孔14-2中，实现共口径。其中，方形孔14-1和方形孔14-2的尺寸大于Ka频段下层金属贴片尺寸12。Ka频段天线单元与Ku频段天线单元的工作频率比为2。
高频段金属贴片与低频段金属贴片的中心位于同一垂直轴线上(即上述所有方形金属贴片的中心位于同一垂直轴线上)，且金属贴片边缘平行放置，上、下层金属贴片的边长均约为对应频段的半个波长。
本实施例中，相邻的双频双极化天线单元的中心距离D1优选0.55个Ku频段波长，既能减小天线间互耦，也能避免出现栅瓣。
如图2和图3结合所示，金属接地板7上蚀刻有两条垂直正交(但不一相交)的耦合缝隙11，耦合缝隙11的长边与对应方向的金属贴片边缘平行，耦合缝隙11的长度(长边方向的长度大小)决定电磁耦合量，过长的耦合缝隙会将引起较大的后向辐射，耦合缝隙11的宽度会影响交叉极化分量。优选地，耦合缝隙11的尺寸为0.5mm(长度)x0.2mm(宽度)。
Ku频段天线单元通过相互垂直正交的微带馈线10(Ku频段馈线)进行馈电，微带馈线10与Ku频段下层金属贴片5共面，相互垂直正交的微带馈线10能够激励两个正交的极化。Ka频段天线单元通过微带馈线9激励正交耦合缝隙11对Ka频段下层金属贴片12进行耦合馈电，相互垂直正交的耦合缝隙11能够激励两个正交的极化。可选地，微带馈线10或微带馈线9的阻抗均为50欧姆。
由上可知，馈线10、金属接地板7和馈线9由上至下分别位于第三硅基层6的上表面、第四硅基层8的上表面和第四硅基层8的下表面，金属接地板7位于低频段馈10和高频段馈线9之间的中间位置，从而可以有效降低两个频段间交叉耦合。
本发明的Ku频段双极化天线单元和Ka频段双极化天线单元分开设计，优化得出天线结构尺寸初值后，考虑到两个频段金属贴片之间的耦合，在Ku频段天线单元中间嵌入Ka频段天线单元继续优化。
本发明的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，能够作为射频收发前端天线，可以应用于移动通信、雷达等无线通信系统，支持频率范围为15.75GHz-16.25GHz/31.5GHz-32.5GHz，每个频段都具有双极化功能。对于双频双极化天线单元，Ka频段与Ku频段天线增益均可以达到6dBi以上，交叉极化隔离度均大于22dB；对于双频双极化宽带阵列天线，在传输频段内，天线总体隔离度水平大于20dB。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，包含若干个双频双极化天线单元，所述双频双极化天线单元包含双极化的高频段天线单元和双极化的低频段天线单元，所述高频段天线单元嵌套于对应的所述低频段天线单元内实现共口径；
所述高频段天线单元和所述低频段天线单元通过硅基高密度三维集成方法形成四层硅基堆叠结构，由上至下依次为第一硅基层、第二硅基层、第三硅基层和第四硅基层；
所述第一硅基层的上表面设有低频段上层金属层，所述第一硅基层的下表面为高频段上层金属层；所述第二硅基层上开设有挖槽；所述第三硅基层的上表面设有低频段下层金属层、高频段下层金属层以及低频段馈线；所述第四硅基层的上表面设置蚀刻有正交耦合缝隙的金属接地板，所述第四硅基层的下表面设有高频段馈线。
2.如权利要求1所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
每层硅基层是由高阻硅作为单层介质基板；
四层硅基层通过微凸点键合实现三维堆叠，所述四层硅基层的边缘重合；
所述第二硅基层的中间开设所述挖槽，所述第二硅基层的四周留有一定宽度的边缘。
3.如权利要求1所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述高频段天线单元为Ka频段天线单元，所述低频段天线单元为Ku频段天线单元；
所述低频段上层金属层为Ku频段上层金属贴片，所述高频段上层金属层为Ka频段上层金属贴片，所述低频段下层金属层为Ku频段下层金属贴片，所述高频段下层金属层为Ka频段下层金属贴片，所述低频段馈线为Ku频段馈线，所述高频段馈线为Ka频段馈线。
4.如权利要求1或3所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述高频段上层金属层、所述高频段下层金属层、所述低频段上层金属层和所述低频段下层金属层均采用方形金属贴片；
所述高频段上层金属层小于所述高频段下层金属层，所述低频段上层金属层小于所述低频段下层金属层。
5.如权利要求4所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述低频段上层金属层与所述低频段下层金属层上分别开设有适配的第一孔和第二孔，所述高频段上层金属层与所述高频段下层金属层分别置于所述第一孔和所述第二孔中，用以实现共口径。
6.如权利要求1或3所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述高频段上层金属层、所述高频段下层金属层、所述低频段上层金属层和所述低频段下层金属层的中心位于同一垂直轴线上，且各金属层边缘平行放置；
所述高频段上层金属层和/或所述高频段下层金属层的边长为对应高频段的半个波长，所述低频段上层金属层和/或所述低频段下层金属层的边长为对应低频段的半个波长。
7.如权利要求1或3所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述金属接地板上蚀刻有两条相互垂直正交的耦合缝隙，所述耦合缝隙的长边与对应方向的金属层边缘平行。
8.如权利要求7所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
所述低频段天线单元通过相互垂直正交的所述低频段馈线进行馈电，用以激励两个正交的极化，所述低频段馈线与所述低频段下层金属层共面；
所述高频段天线单元通过所述高频段馈线激励正交的所述耦合缝隙馈电，垂直正交的耦合缝隙用于激励两个正交的极化。
9.如权利要求1或3所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
相邻的双频双极化天线单元的中心距离等于0.55个低频段波长。
10.如权利要求1或3所述的硅基小型共口径双频双极化宽带阵列天线，其特征在于，
包含n×n个相同的所述双频双极化天线单元，n>2，多个所述双频双极化天线单元等间距扩展组阵；
所述双频双极化天线同时工作在高频段和低频段，所述高频段天线单元和所述低频段天线单元的工作频率比为2。
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