CN111180904B - 一种5g毫米波天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波阵列天线的制造方法，所述方法包括如下步骤：利用注塑成型法得到天线分片模型的塑料基材；以及将该塑料基材表面金属化处理。本发明的毫米波阵列天线加工方法，提高了产品的可制造性，方便批量化生产；降低了毫米波天线成本，降低了产品重量，降低了运输安装的难度和成本。

Description

一种5G毫米波天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种5G毫米波天线及其制造方法。

networks

背景技术

第五代移动通信系统(5th generation mobile networks，简称5G)离正式商用(2020年)越来越接近。移动通信系统发展的每阶段均要求更宽的频谱资源，其频谱资源主要集中在6GHz以下频段。同时，物联网的无线智能设备采用6GHz以下频段而造成频谱资源紧张。大量设备集中于低频频谱资源造成电磁环境干扰源严重，从而难于实现高速率移动通信系统。毫米波频段拥有纯净的电磁环境且宽带可用的频谱资源，其成为高速率移动通信系统的最佳选择。毫米波高频段的微波器件具有重大的研究意义和实用价值。

作为移动通信系统中不可或缺的元器件，天线性能的优劣直接影响着整个系统的通信质量。在毫米波通信中，较大的工作带宽、较大的大气路劲损耗要求天线具有宽带、高效率、高增益的性能。在毫米波应用中，为了实现低剖面的平面高增益天线，通常采用大规模阵列的方法。从毫米波天线的加工工艺来看，30-140GHz频段的大型天线阵列主要采用的加工工艺为印刷板电路(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)，140Ghz以上的片上天线(AOC)设计主要基于硅基工艺。在毫米波频段，传统PCB工艺在封装集成和小型化上劣势明显，表面波效应和微带线在弯曲处和不连续处的损耗造成微带贴片天线效率下降。LTCC是一种较为新型的封装技术，但LTCC介质的高介电常数导致天线在毫米波、太赫兹频段受表面波影响较大，导致天线的效率下降、方向图畸变等问题。扩散焊接工艺(Meta Diffusion BondingTechenique，MDBT)适宜于复杂的金属内腔结构，但其加工精度受限于铜箔蚀刻精度而较差。微机电系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)工艺是将蚀刻相应形状的不同厚度的硅基片表面金属化，再进行层间金属键合形成复杂内腔结构，该工艺特点是能够实现微米量级的高精度金属内腔结构，但其加工成本使得其难于运用于复杂结构设计。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提出一种毫米波阵列天线的制造方法，所述方法包括如下步骤：

利用注塑成型法得到天线分片的塑料基材；以及将该塑料基材表面金属化处理。

本发明所述的塑料基材，包括其一体成型的狭缝腔通道。

根据本发明的制造方法，具有以下性能的塑胶原材料在本发明的注塑成型步骤中特别优选：与金属接近的热膨胀系数、较好的流动性、耐高温性、较高的机械强度。

具体的，选择与金属热膨胀系数最接近的材料，以保证金属镀层在工作温差范围内的连续性；较好的流动性，以满足天线大量薄壁结构能被良好填充；耐高温的性能以满足回流焊要求。在本发明的制造方法中，可选择LCP(LIQUID CRYSTAL POLYMER)材料作为塑胶材料，尤其选择具有如下一种和/或多种性能参数的那些LCP材料：

(i)线膨胀系数在12-16的范围内(1E-6/K，20℃)，例如14；；

(ii)在薄壁(0.2mm)情况下可轻松获得30mm以上流动长度；

(iii)耐高温性能≥280℃；

(iv)高机械强度，在LCP材料中，添加20％以上，例如30％左右玻纤的机械强度。

根据本发明的制造方法，为满足尺寸精度要求，在注塑成型步骤中采用精密注塑加工工艺。本领域技术人员已知，一般精密注塑有两个指标：一是设备精度，另一个是模具误差，前者由于尺寸大小和制品厚薄不同难以比较，代表了注塑机的综合水平，一般普通注塑机的重量误差在1％左右，较好的机器可达到0.8％，低于0.5％为精密机。而后者，即模具的精度，需要考虑特定模具的需求、模具加工设备、模仁材料、模具加工工艺等多重因素，从而实现模具精度要求。

根据本发明的制造方法，在精密注塑加工工艺中，选用的精密注塑成型机具有高速注塑(不小于500mm/s，最大注射速度可达1200mm/s)和耐腐蚀螺杆的性质，以满足本发明注塑工艺所采用的塑胶原材料和注塑产品，即天线分片模型的塑料基材的性能要求，进而能够保持产品的的尺寸精确度和稳定性。

根据本发明的制造方法，由于本发明选用了具有固化速度快且脱模性能好的LCP材料，相应的，选择塑化能力强的成型机来配合完成注塑步骤。成型机借助螺杆(或柱塞)的推力，将已塑化好的熔融状态(即粘流态)的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。

根据本发明的制造方法，所述注塑成型步骤中采用的成型机，其螺杆长径比L/D约为18～20，甚至可以更大，例如到24～30，例如27；其螺杆转速设置在250-400rmp，例如270-350rmp；为防止流延和纤维折损，降背压设置在2MPa以下。

根据本发明的制造方法，所述成型机的螺杆形状具有以下特点：

(1)螺杆前端的计量段有多于2个的固定槽深的螺纹，例如3-4个，所述槽深在1-3mm，例如1.4-2.5mm；

(2)长进料段，其长度不低于螺杆有效长度的45％。本发明的加料段长度，能够保证物料不会过早熔融，保证了在稳定压力下的稳定输送，进而保证了塑化质量和塑化能力。

此外，对于螺杆，还应当具有完好的止逆阀，如若止逆阀磨损，则止逆阀与机筒配合的间隙会增大，使得注塑时熔料回流量大，影响注射量的准确性，降低制品合格率，因此间隙要控制在0.01-0.02mm之间。

对于注塑工艺中的保压压力、保压时间、前后模模温等参数条件，本领域技术人员公知，在精密注塑工艺中，具有一般最低或最高要求，但是针对具体产品，这些参数特征会根据使用的模具来调整变化，但本领域技术人员基于经验、多次试验可以选择出符合本发明的注塑工艺和注塑模具的上述参数组合。

根据本发明的制造方法，所述注塑模具材料，具有不小于HRC65°的硬度要求。

根据本发明的制造方法，所述模具加工设备，由于模具材料的上述高硬度、低壁厚、复杂型腔难以抛光等特点，本发明选择更高主轴转速(例如转速不低于30000r/min)的CNC(Computerised Numerical Control Machine)机台来加工后模。

根据本发明的制造方法，所述模具采用淬硬钢的高速切削加工工艺，所述淬硬钢表面粗糙度为Ra0.6-Ra1.2μm之间。本发明选择的模具加工材料，能够适应表面质量高、精度高、形状复杂的三维曲面加工，减少和避免效率低的电火花加工，解决了薄壁零件的加工问题。

根据本发明的制造方法，所述模具型腔数为1-4个，优选1-2个。

根据本发明的制造方法，在注塑成型步骤中，融化的塑胶材料注入到模具型腔的进胶方式采用热流道进胶方式，例如点浇口进胶方式。

根据本发明的制造方法，还可提升模具底板、支撑板和型腔壁的厚度。

本发明意外发现，注塑成品，即塑料基材的缝隙腔通道内的折角(折角，在本发明中定义为塑料基材的缝隙腔(型腔)通道内竖直面与水平面的夹角。具体例如，附图3所示的A处)为圆角时，会带来损耗，例如R0.2(即半径为0.2mm的过度圆角，即倒角大小)将带来0.2db增益的损耗，圆角越大，损耗越大。而直角设计，可以降低插损、可以降低匹配电路的设计难度，也可以提高天线的交叉极化特性。

因此根据本发明的制造方法，在注塑成型步骤中，塑料基材在狭缝腔通道内的折角，至少有一个最好是完全的立角(即90度角)，考虑到成本问题，本发明可以仅将敏感位置，即馈电型腔部分的折角设计为完全的立角，而非敏感位置允许自然圆角。在本发明中，因采用注塑成型法形成基材上的型腔，而基材的缝隙腔为凹槽，即对应模具为凸起，因此通过将模具设计为堆叠多层模具镶件从而实现90度角的立角凸起，进而得到注塑成品的缝隙立角型腔结构。

具体的，基于塑料基材上要形成的馈电型腔结构，本领域技术人员很容易的可以设计出所述模具的形状结构，以及根据本发明的发现，将型腔内的折角对应的模具设计成90度角的立角凸起。

示例性的，当本发明所制备的阵列天线结构如附图1所述，其包括下层的馈电网络层和上层的馈电网络+辐射层。馈电网络层如附图4所示，以上层的馈电网络+辐射层为例，其剖面结构如附图3所示，A处所示为其馈电型腔折角。如说明书附图2所示，多个长度不同的矩形模具镶件层叠形成的多个立角凸起，从而形成基材上的缝隙强立角。

根据本发明的制造方法，塑料基材表面金属化处理步骤，是在塑料基材全部外露的表面进行金属化处理，包括上述缝隙腔的表面，并且后续无需剥离去除部分区域的金属层。

根据本发明的制造方法，所述金属化处理步骤是化学镀或真空电镀的电镀工艺。所述的真空电镀，例如采用磁控溅镀法。

根据本发明的制造方法，所述金属是铜、银或镍。

在本发明的制造方法中，镀层表面粗糙度对天线损耗有很大的影响，且频段越高影响越大，例如表面粗糙度Ra为1.6对30GHz及80GHz增益损耗分别为0.3db及1db。因此在本发明中，要求镀层表面粗糙度尽量低。

根据本发明的制造方法，在采用磁控溅镀法电镀工艺前，在注塑基材表面覆盖一层UV底膜或者涂敷一层UV涂层，厚度为5-15um左右，从而大大降低了镀层的表面粗糙度；同时还大幅提高了镀层的耐剥离度，使得本发明的镀层在-40℃-70℃温度区间内进行可靠性测试，百格强度达到3B等级以上。

根据本发明的制造方法，所述毫米波阵列天线是多层平板状结构，每一层即所述天线分片，其中至少一层的所述的平板状结构及其缝隙腔通道由本发明上述的方法制得。

根据本发明的制造方法，所述多层平板状结构，其包括上层的馈电网络和辐射层，以及下层的馈电网络层。优选的，所述多层平板状结构是上述的双层结构。

本发明，还保护由上述制造方法得到的毫米波阵列天线。

本发明的有益效果：本发明的5G通信毫米波天线加工方法，提高了产品的可制造性，方便批量化生产；降低了毫米波天线成本，降低了产品重量，降低了运输安装的难度和成本，具体的主要有益效果表现在以下几个方面：

(1)实现毫米波天线塑料化生产加工，降低了产品重量、成本、易批量化生产。本发明制备的立角天线与和传统微波天线比较，其带宽更高，可达到50％以上；辐射效率可增加约20％；而旁瓣电平可下降6-15dB；尺寸减少可达70％和重量下降约40％，成本可下降约一半。(2)实现传导缝隙腔立角成型。理论和试验表明，缝隙腔内圆角将带来较明显的额外损耗。而传统的机械加工无法避免机械内圆角，本发明利用精密注塑成型特点，通过立角镶件堆叠方式，内角转外角，实现多层缝隙腔体的立角成型。从而大大降低缝隙天线的结构损耗，进一步提升天线增益。

(3)精密加工，批量化生产。本发明采用高精密注塑工艺实现了天线缝隙腔高精度加工，成品公差为±0.02mm，平面度0.1mm，同时实现了高尺寸稳定性。产品工艺、模具、技术参数具备可复制性，容易实现规模化生产。

(4)注塑塑胶基材的选择，本发明经过反复试验和论证，采用耐高温280℃的LCP塑胶材料，满足回流焊接要求；热膨胀系数低，约14ppm/℃，与金属镀层接近，保证了在工作环境下与镀层的良好结合，不影响信号的稳定传输；流动性高，使得薄壁可以得到良好填充；低收缩率保证了产品的尺寸稳定性，同时机械性能好(玻璃纤维增强)，低介电损耗、阻燃性好、加工性良好。

(5)低粗糙度高精度天线表面金属化工艺。本发明因对塑料基板和其缝隙腔通道的全表面进行金属化处理，故工艺简单、易工业化。本发明的磁控溅射工艺可使金属镀层表面达到镜面效果，表面镀层粗糙度完全取决于基材本身精度。同时纳米级别的镀层厚度可实现对镀层厚度的高精度要求，50nm～1.5μ的模厚，完全满足毫米波天线的需求。

附图说明

图1是本发明的天线结构示意图。

图2是本发明的堆叠多层模具镶件实现立角型腔结构的示意图。

图3是本发明的示例性平板天线分片的剖视图。

图4是本发明的示例性平板天线分片的俯视图及剖视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

以下为附图1-4的附图标记说明：

1为馈电网络+辐射层；2为馈电网络层；3为模具；4为模具镶件1；5为模具镶件2；6为模具镶件3；7为LCP基材；8为UV涂敷层；9为金属镀层。

(1)注塑成型

注塑塑胶颗粒选用LCP VECTRA系列的E130I；模具采用硬度不低于HRC65°的模具钢，后模采用主轴转速不低于30000r/min的高速CNC加工，非敏感区域的折角，允许其加工圆角R0.1mm。前模采用如附图2所示的镶嵌形式实现所有馈电网络立角成型。一模一穴，采用一个点浇口进胶。使用小吨位高射速精密注塑机，型号为SUMITOMO SE100EV-HP，速快速冲刷成型，注塑机射速约1000mm/s。模具精度控制在±0.006mm。其他参数如说明书前文所描述。

(2)表面金属化处理

在上述步骤(1)得到的天线本体基础上，采用磁控溅镀方式对其表面进行金属化处理。根据高频信号趋肤深度要求(Ag 0.23μm 80GHz)，本产品镀层厚度为1.5μm。

具体方法为：

(i)在注塑基材表面覆盖一层UV底膜，厚度为10um左右；

(ii)装载基片和靶材→机械抽真空(8Pa以下)→分子泵抽真空(10E-4Pa)→通气体(0.6Pa)→预溅射(现象起辉)→溅射→停机→取料。

图3为本发明实施例得到的天线分片的剖视图，其中包括注塑成型得到的LCP基底，在该基底上覆盖的UV底膜层，在其上电镀的金属层。从A处的放大50倍后的图片(图3)可看出，在本发明天线狭缝腔可很好的形成立角成型。电镀成品，每一型腔尺寸公差±0.013mm，外形公差±0.022mm，平面度±0.1mm。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种毫米波阵列天线的制造方法，所述方法包括如下步骤：

利用注塑成型法得到天线分片的塑料基材；以及将该塑料基材表面金属化处理；选择LCP材料作为塑胶材料，其具有如下性能参数：

（i）LCP材料线膨胀系数为14，1E-6 /K，20°C；

（ii）在薄壁0.2mm的情况下可轻松获得30mm以上流动长度；

（iii）耐高温性能≥280℃；和

（iv）高机械强度，在LCP材料中，添加30%玻璃纤维；

所述塑料基材的型腔通道内至少馈电型腔部位的折角为直角，所述折角，定义为塑料基材的型腔通道内竖直面与水平面的夹角；

通过将模具设计为堆叠多层模具镶件从而实现90度角的立角凸起，进而得到注塑成品的缝隙直角型腔结构。

2.根据权利要求1所述的制造方法，所述注塑成型采用精密注塑成型机，其具有高速注塑，速度不小于500mm/s，最大注射速度可达1200mm/s，和耐腐蚀螺杆的性质。

3.根据权利要求2所述的制造方法，所述成型机其螺杆长径比L/D 可达24~30；其螺杆转速设置在250-400rmp；降背压设置在2MPa以下。

4.根据权利要求3所述的制造方法，

所述螺杆形状具有以下特点：

（1）螺杆前端的计量段有3-4个固定槽深的螺纹，所述槽深在1-3mm；

（2）长进料段，其长度不低于螺杆有效长度的45%。

5.根据权利要求1所述的制造方法，所述注塑用的模具材料，具有不小于HRC65°的硬度要求；模具采用淬硬钢的高速切削加工工艺，所述淬硬钢表面粗糙度为Ra0.6- Ra1.2μm 之间；所述模具的型腔数为1-4个。

6.根据权利要求1所述的制造方法，塑料基材表面金属化处理步骤，是在塑料基材全部外露的表面进行金属化处理，并且后续无需剥离去除部分区域的金属层。

7.根据权利要求1所述的制造方法，所述塑料基材表面金属化处理步骤是利用化学镀或真空电镀的整板电镀步骤工艺。

8.根据权利要求1所述的制造方法，在所述塑料基材表面金属化处理步骤之前，在塑料基材表面覆盖UV底膜。

9.一种毫米波阵列天线，其中至少一个天线分片由权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。

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