CN112002989B - 一种基于玻璃通孔阵列的片上天线 - Google Patents

一种基于玻璃通孔阵列的片上天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，包括玻璃介质基板、引向器、单极子天线辐射体、反射墙、顶层截断金属地板、底层截断金属地板、底层金属条带、连接玻璃通孔阵列和接地共面波导馈电结构。本发明公开的基于玻璃通孔阵列的片上天线，采用具有较低的介电常数和介质损耗的玻璃介质作为天线载体，通过玻璃通孔阵列进行信号辐射，整个天线具有辐射增益大、传输效率高与工艺成本低的优点；采用冗余玻璃通孔阵列作为天线信号辐射的引向器与反射墙，提高了片上天线的辐射方向性与辐射增益。本发明公开的片上天线结构简单、制作方便，能够很好地实现片上点对点的无线互连，有效解决有线连接带来的串扰、时延、寄生参数和高功率损耗等问题。

Description

一种基于玻璃通孔阵列的片上天线
技术领域
本发明涉及三维集成电路(Three dimensional integrated circuits,3D ICs)技术领域，具体是一种基于玻璃通孔阵列的片上天线。
背景技术
微型化、集成化和低功耗是片上系统发展的主流趋势。片上天线具有体积小、时延低、传输速率高等优点，能够解决有线连接带来的串扰、时延、寄生参数等问题，已成为片上系统的重要部件。但传统的硅基片上天线存在一些难以克服的问题，如介质损耗高、增益低、制作成本高等。为了解决这些问题，需要寻找新的介质材质与设计方法。
文献1(Y.Song et al.,Ahybrid integrated high gain antenna with an onchip radiator backed by off chip ground for system on chip application,IEEETrans.Component Packaging and Manufacture Technology,2017.)采用高阻的硅衬底替代传统的硅衬底以降低衬底损耗，提高天线增益，但高阻绝缘物上硅工艺不可避免增加了工艺制作成本。文献2(E.Ojefors,Micromachined loop antennas on low resistivitysilicon substrate.IEEE Trans.Antenna and Propagation,2006.)利用微机械加工工艺，去除部分损耗衬底，进而减小衬底损耗，提高天线增益，但微机械加工方法的引入增加了芯片制作的工艺复杂度，且衬底内空腔的存在也降低了芯片的可靠性。文献3(I.Sarkaset al.,A fundamental frequency 120GHz SiGe BiCMOS distance sensor withintegrated antenna,IEEE Trans.Microwave Theory and Technology,2012.)在天线背面的衬底上制作一个硅透镜，使天线能量通过透镜辐射出去，提高天线增益，但透镜尺寸普遍比芯片尺寸大，透镜引入将降低系统的微型化程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，用于实现片上点对点的无线互连。该片上天线基于玻璃介质，采用片上冗余玻璃通孔阵列构建，具有较高的增益和良好的辐射方向性，而且结构简单、制作方便。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，包括玻璃介质基板、引向器、单极子天线辐射体、反射墙、顶层截断金属地板、底层截断金属地板、底层金属条带、连接玻璃通孔阵列和接地共面波导馈电结构；
所述的引向器包括顶层金属圆板、第一玻璃通孔阵列和第二玻璃通孔阵列，所述的单极子天线辐射体包括顶层金属条带和第三玻璃通孔阵列，所述的反射墙包括四组第四玻璃通孔阵列，所述的接地共面波导馈电结构包括条状的金属馈线和两组第五玻璃通孔阵列，所述的顶层截断金属地板铺设在所述的玻璃介质基板的顶面的后侧，所述的底层截断金属地板铺设在所述的玻璃介质基板的底面的后侧，所述的顶层金属圆板、顶层金属条带、金属馈线分别前后间隔铺设在所述的玻璃介质基板的顶面，所述的底层金属条带铺设在所述的玻璃介质基板的底面；
所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列、四组第四玻璃通孔阵列、两组第五玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列分别由多个垂直排列并嵌设在所述的玻璃介质基板内的多个玻璃通孔组成，每个所述的玻璃通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的二氧化硅介质层；
所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列分别为圆环形阵列且直径相同，所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列前后间隔布设且其中心点位于同一直线上；
所述的顶层金属圆板覆设在所述的第一玻璃通孔阵列的顶面，所述的顶层金属圆板与所述的第一玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连；所述的顶层金属条带的前端端面和后端端面分别为半圆形，所述的顶层金属条带的前端和后端分别覆设在所述的第二玻璃通孔阵列和所述的第三玻璃通孔阵列的顶面，所述的顶层金属条带分别与所述的第二玻璃通孔阵列和所述的第三玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的顶层截断金属地板的前侧边缘的中部开设有半圆形缺口，所述的第三玻璃通孔阵列的后半侧正对所述的半圆形缺口，所述的顶层金属条带的后端的后半侧位于所述的半圆形缺口内，所述的顶层金属条带的后端端面与所述的半圆形缺口的前端面之间留有间隙；所述的金属馈线的前端端面为半圆形，所述的金属馈线的前端覆设在所述的连接玻璃通孔阵列的顶面，所述的金属馈线与所述的连接玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的顶层截断金属地板的后侧开设有直通所述的顶层截断金属地板的后端端面的第一条状缺口，所述的金属馈线设置在所述的第一条状缺口内，所述的金属馈线的后端端面与所述的顶层截断金属地板的后端端面平齐，所述的金属馈线的前端端面及左右端面与所述的第一条状缺口的前端端面及左右端面之间分别留有间隙；所述的底层金属条带的前端端面和后端端面分别为半圆形，所述的底层金属条带的前端和后端分别覆设在所述的第三玻璃通孔阵列和所述的连接玻璃通孔阵列的底面，所述的底层金属条带分别与所述的第三玻璃通孔阵列和所述的连接玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的底层截断金属地板的前侧开设有直通所述的底层截断金属地板的前端端面的第二条状缺口，所述的底层金属条带设置在所述的第二条状缺口内，所述的底层金属条带的后端端面及左右端面与所述的第二条状缺口的后端端面及左右端面之间分别留有间隙；
所述的四组第四玻璃通孔阵列分别为左右设置的条形阵列，其中两组所述的第四玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的第三玻璃通孔阵列的后方，另外两组所述的第四玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的连接玻璃通孔阵列的后方；
所述的两组第五玻璃通孔阵列分别为前后设置的条形阵列，所述的两组第五玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的金属馈线的两侧。
具体地，每组所述的第四玻璃通孔阵列由三排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔。
具体地，每组所述的第五玻璃通孔阵列由两排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔。
具体地，所述的底层金属条带的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的3～4倍，所述的顶层金属条带的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的4.5～5倍，所述的金属馈线的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的6～7倍，所述的第一玻璃通孔阵列和所述的第二玻璃通孔阵列的中心距为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的2倍，每组所述的第四玻璃通孔阵列的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的4倍，每组所述的第四玻璃通孔阵列的宽度与所述的第一玻璃通孔阵列的直径大体相同。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明公开的基于玻璃通孔阵列的片上天线，采用玻璃介质作为天线的载体，玻璃介质具有较低的介电常数和介质损耗，且制作成本低，是一种良好的天线载体；该天线通过玻璃通孔阵列进行信号辐射，整个天线具有辐射增益大、传输效率高与工艺成本低的优点；
(2)本发明公开的基于玻璃通孔阵列的片上天线，采用冗余玻璃通孔阵列作为天线信号辐射的引向器与反射墙，提高了片上天线的辐射方向性与辐射增益；
(3)本发明公开的基于玻璃通孔阵列的片上天线结构简单、制作方便，能够很好地实现片上点对点的无线互连，有效解决有线连接带来的串扰、时延、寄生参数和高功率损耗等问题。
附图说明
图1为实施例中片上天线的俯视图；
图2为移除顶层截断金属地板、顶层金属圆板、顶层金属条带、金属馈线后的实施例中片上天线的俯视图；
图3为实施例中片上天线的仰视图；
图4为实施例中片上天线的立体图；
图5为实施例中片上天线的三维方向图；
图6为实施例中片上天线的E面平面方向图；
图7为实施例中片上天线的H面平面方向图；
图8为实施例中片上天线的S11曲线；
图9为实施例中片上天线的输入阻抗图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例的基于玻璃通孔阵列的片上天线，如图1～图4所示，包括玻璃介质基板1、引向器、单极子天线辐射体、反射墙、顶层截断金属地板21、底层截断金属地板22、底层金属条带3、连接玻璃通孔阵列4和接地共面波导馈电结构；引向器包括顶层金属圆板51、第一玻璃通孔阵列52和第二玻璃通孔阵列53，单极子天线辐射体包括顶层金属条带61和第三玻璃通孔阵列62，反射墙包括四组第四玻璃通孔阵列7，接地共面波导馈电结构包括条状的金属馈线81和两组第五玻璃通孔阵列82，顶层截断金属地板21铺设在玻璃介质基板1的顶面的后侧，底层截断金属地板22铺设在玻璃介质基板1的底面的后侧，顶层金属圆板51、顶层金属条带61、金属馈线81分别前后间隔铺设在玻璃介质基板1的顶面，底层金属条带3铺设在玻璃介质基板1的底面。
本实施例中，第一玻璃通孔阵列52、第二玻璃通孔阵列53、第三玻璃通孔阵列62、四组第四玻璃通孔阵列7、两组第五玻璃通孔阵列82和连接玻璃通孔阵列4分别由多个垂直排列并嵌设在玻璃介质基板1内的多个玻璃通孔组成，每个玻璃通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的二氧化硅介质层(图中未示出)；第一玻璃通孔阵列52、第二玻璃通孔阵列53、第三玻璃通孔阵列62和连接玻璃通孔阵列4分别为圆环形阵列且直径相同，第一玻璃通孔阵列52、第二玻璃通孔阵列53、第三玻璃通孔阵列62和连接玻璃通孔阵列4前后间隔布设且其中心点位于同一直线上。
本实施例中，顶层金属圆板51覆设在第一玻璃通孔阵列52的顶面，顶层金属圆板51与第一玻璃通孔阵列52中的多根金属芯相连；顶层金属条带61的前端端面和后端端面分别为半圆形，顶层金属条带61的前端和后端分别覆设在第二玻璃通孔阵列53和第三玻璃通孔阵列62的顶面，顶层金属条带61分别与第二玻璃通孔阵列53和第三玻璃通孔阵列62中的多根金属芯相连，顶层截断金属地板21的前侧边缘的中部开设有半圆形缺口23，第三玻璃通孔阵列62的后半侧正对半圆形缺口23，顶层金属条带61的后端的后半侧位于半圆形缺口23内，顶层金属条带61的后端端面与半圆形缺口23的前端面之间留有间隙；金属馈线81的前端端面为半圆形，金属馈线81的前端覆设在连接玻璃通孔阵列4的顶面，金属馈线81与连接玻璃通孔阵列4中的多根金属芯相连，顶层截断金属地板21的后侧开设有直通顶层截断金属地板21的后端端面的第一条状缺口24，金属馈线81设置在第一条状缺口24内，金属馈线81的后端端面与顶层截断金属地板21的后端端面平齐，金属馈线81的前端端面及左右端面与第一条状缺口24的前端端面及左右端面之间分别留有间隙；底层金属条带3的前端端面和后端端面分别为半圆形，底层金属条带3的前端和后端分别覆设在第三玻璃通孔阵列62和连接玻璃通孔阵列4的底面，底层金属条带3分别与第三玻璃通孔阵列62和连接玻璃通孔阵列4中的多根金属芯相连，底层截断金属地板22的前侧开设有直通底层截断金属地板22的前端端面的第二条状缺口25，底层金属条带3设置在第二条状缺口25内，底层金属条带3的后端端面及左右端面与第二条状缺口25的后端端面及左右端面之间分别留有间隙。
本实施例中，四组第四玻璃通孔阵列7分别为左右设置的条形阵列，其中两组第四玻璃通孔阵列7左右对称布设在第三玻璃通孔阵列62的后方，另外两组第四玻璃通孔阵列7左右对称布设在连接玻璃通孔阵列4的后方；两组第五玻璃通孔阵列82分别为前后设置的条形阵列，两组第五玻璃通孔阵列82左右对称布设在金属馈线81的两侧。
本实施例中，每组第四玻璃通孔阵列7由三排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔；每组第五玻璃通孔阵列82由两排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔。
本实施例中，底层金属条带3的长度为第一玻璃通孔阵列52的直径的3～4倍，顶层金属条带61的长度为第一玻璃通孔阵列52的直径的4.5～5倍，金属馈线81的长度为第一玻璃通孔阵列52的直径的6～7倍，第一玻璃通孔阵列52和第二玻璃通孔阵列53的中心距为第一玻璃通孔阵列52的直径的2倍，每组第四玻璃通孔阵列7的长度为第一玻璃通孔阵列52的直径的4倍，每组第四玻璃通孔阵列7的宽度与第一玻璃通孔阵列52的直径大体相同。第一玻璃通孔阵列52、第二玻璃通孔阵列53、第三玻璃通孔阵列62和连接玻璃通孔阵列4中玻璃通孔的个数和间距，以及第四玻璃通孔阵列7、第五玻璃通孔阵列82中玻璃通孔的个数、排数和间距可以根据天线尺寸进行相应调整。
上述片上天线的引向器位于天线的终端，顶层截断金属地板21和底层截断金属地板22从天线的起始端开始至第三玻璃通孔阵列62的中心线截止，并且为了阻抗匹配和信号传输，分别对顶层截断金属地板21和底层截断金属地板22进行了一部分的相应裁剪，即半圆形缺口23、第一条状缺口24和第二条状缺口25。底层金属条带3用于连接单极子天线辐射体和接地共面波导馈电结构，连接玻璃通孔阵列4用于连接接地共面波导馈电结构和底层金属条带3。玻璃介质基板1作为天线的介质基板，具有较低的介电常数和介质损耗。上述片上天线中的顶层截断金属地板21、底层截断金属地板22、底层金属条带3、顶层金属圆板51、顶层金属条带61、金属馈线81和金属芯等金属部分均选用金属铜实现。
上述片上天线工作时，射频信号通过接地共面波导馈电结构，经连接玻璃通孔阵列4和底层金属条带3到达单极子天线辐射体，最后由引向器引向后辐射出去。引向器和反射墙用来加强方向性辐射和提高终端辐射增益，顶层截断金属地板21和底层截断金属地板22用于阻抗匹配和改善信号传输。天线馈电采用接地共面波导馈电结构，便于集成。
上述片上天线的中心频率为77.1GHZ，最大增益为6.62dBi，在77.1GHZ处的回波损耗为-36dB。该片上天线的三维方向图如图5所示，由图5可见该片上天线具有较高的增益和良好的方向性。该片上天线的平面方向图如图6和图7所示，由图6和图7可知该片上天线具有较小的水平波束宽度，同时具有较低的旁瓣和后瓣辐射，能够很好地实现片上点对点的无线互连。该片上天线的S11曲线图如图8所示、输入阻抗图如图9所示，从图8和图9可见，该片上天线已经达到了良好的阻抗匹配。

Claims (4)

1.一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，其特征在于，包括玻璃介质基板、引向器、单极子天线辐射体、反射墙、顶层截断金属地板、底层截断金属地板、底层金属条带、连接玻璃通孔阵列和接地共面波导馈电结构；
所述的引向器包括顶层金属圆板、第一玻璃通孔阵列和第二玻璃通孔阵列，所述的单极子天线辐射体包括顶层金属条带和第三玻璃通孔阵列，所述的反射墙包括四组第四玻璃通孔阵列，所述的接地共面波导馈电结构包括条状的金属馈线和两组第五玻璃通孔阵列，所述的顶层截断金属地板铺设在所述的玻璃介质基板的顶面的后侧，所述的底层截断金属地板铺设在所述的玻璃介质基板的底面的后侧，所述的顶层金属圆板、顶层金属条带、金属馈线分别前后间隔铺设在所述的玻璃介质基板的顶面，所述的底层金属条带铺设在所述的玻璃介质基板的底面；
所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列、四组第四玻璃通孔阵列、两组第五玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列分别由多个垂直排列并嵌设在所述的玻璃介质基板内的多个玻璃通孔组成，每个所述的玻璃通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的二氧化硅介质层；
所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列分别为圆环形阵列且直径相同，所述的第一玻璃通孔阵列、第二玻璃通孔阵列、第三玻璃通孔阵列和连接玻璃通孔阵列前后间隔布设且其中心点位于同一直线L上；
所述的顶层金属圆板覆设在所述的第一玻璃通孔阵列的顶面，所述的顶层金属圆板与所述的第一玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连；所述的顶层金属条带的前端端面和后端端面分别为半圆形，所述的顶层金属条带的前端和后端分别覆设在所述的第二玻璃通孔阵列和所述的第三玻璃通孔阵列的顶面，所述的顶层金属条带分别与所述的第二玻璃通孔阵列和所述的第三玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的顶层截断金属地板的前侧边缘的中部开设有半圆形缺口，所述的第三玻璃通孔阵列的后半侧正对所述的半圆形缺口，所述的顶层金属条带的后端的后半侧位于所述的半圆形缺口内，所述的顶层金属条带的后端端面与所述的半圆形缺口的前端面之间留有间隙；所述的金属馈线的前端端面为半圆形，所述的金属馈线的前端覆设在所述的连接玻璃通孔阵列的顶面，所述的金属馈线与所述的连接玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的顶层截断金属地板的后侧开设有直通所述的顶层截断金属地板的后端端面的第一条状缺口，所述的金属馈线设置在所述的第一条状缺口内，所述的金属馈线的后端端面与所述的顶层截断金属地板的后端端面平齐，所述的金属馈线的前端端面及左右端面与所述的第一条状缺口的前端端面及左右端面之间分别留有间隙；所述的底层金属条带的前端端面和后端端面分别为半圆形，所述的底层金属条带的前端和后端分别覆设在所述的第三玻璃通孔阵列和所述的连接玻璃通孔阵列的底面，所述的底层金属条带分别与所述的第三玻璃通孔阵列和所述的连接玻璃通孔阵列中的多根金属芯相连，所述的底层截断金属地板的前侧开设有直通所述的底层截断金属地板的前端端面的第二条状缺口，所述的底层金属条带设置在所述的第二条状缺口内，所述的底层金属条带的后端端面及左右端面与所述的第二条状缺口的后端端面及左右端面之间分别留有间隙；
所述的四组第四玻璃通孔阵列分别为左右设置并垂直于所述的直线L的条形阵列，其中两组所述的第四玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的第三玻璃通孔阵列的后方，另外两组所述的第四玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的连接玻璃通孔阵列的后方；
所述的两组第五玻璃通孔阵列分别为前后设置并平行于所述的直线L的条形阵列，所述的两组第五玻璃通孔阵列左右对称布设在所述的金属馈线的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，其特征在于，每组所述的第四玻璃通孔阵列由三排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，其特征在于，每组所述的第五玻璃通孔阵列由两排排列均匀的玻璃通孔组成，每排包括多个玻璃通孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于玻璃通孔阵列的片上天线，其特征在于，所述的底层金属条带的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的3～4倍，所述的顶层金属条带的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的4.5～5倍，所述的金属馈线的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的6～7倍，所述的第一玻璃通孔阵列和所述的第二玻璃通孔阵列的中心距为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的2倍，每组所述的第四玻璃通孔阵列的长度为所述的第一玻璃通孔阵列的直径的4倍，每组所述的第四玻璃通孔阵列的宽度与所述的第一玻璃通孔阵列的直径大体相同。
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