CN113437500A - 一种基于三维SRRs超材料微带天线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微带天线技术领域，具体涉及一种基于三维SRRs超材料微带天线及其制造方法，包括天线图形、多个内层介质层、多个三维SRRs图形单元、底层微波地，多个内层介质层通过粘接材料层相互连接成介质组件，介质组件内部开设有用于放置多个三维SRRs图形单元的金属化孔，所三维SRRs图形单元的组数与微带天线的天线振子数量相匹配，多个三维SRRs图形单元排布成阵列结构，形成三维SRRs图形阵列，天线图形包覆于所述介质组件的上表面，每个三维SRRs图形单元内至少具有一个三维SRRs图形件，该基于三维超材料微带天线电性能指标优异，可使用在76～77GHz及以下的微波频段，带宽为‑10dB，天线贴片图形尺寸可缩小至原来的25％以下，最大增益为4.5dB。

Description

一种基于三维SRRs超材料微带天线及其制造方法
技术领域
本发明涉及微带天线技术领域，具体涉及一种基于三维SRRs超材料微带天线及其制造方法。
背景技术
微带天线具有质量轻、体积小、剖面低、易集成、馈电灵活等特点，在卫星系统、雷达系统、对抗通信以及空间飞行器设计等领域得到广泛应用。微带天线分成馈电网络、辐射单元和辐射背景。但是，单个微带天线增益偏低，存在介质损耗和表面波损耗，辐射效率较低，在应用时需要较多的单元构成大型平面阵列天线，导致馈电网络复杂，馈线损耗变大，最终也会造成天线效率的显著下降。传统天线尺寸越小时辐射电阻也越小，导致天线与馈线之间的阻抗严重失配，进而导致天线性能的恶化。常规增大介电常数的微带天线小型化技术虽然可以在一定程度上达到小型化的目的，然而由于微带天线各项指标之间的相互制约，会带来增益、带宽、辐射效率等其他性能指标的损失。
超材料的发现和发展，为实现小型化天线提供了更为有效的途径，超材料是一种改变材料的排布方式或材料的物理结构从而呈现出与自然界物质有所不同的物理性质的人工合成材料。超材料由于其零反射相位、亚波长以及较大的寄生电容和电感等特性，可以应用到天线上减小天线的体积。
与传输线型超材料相比，基于开口谐振环(SRRs)及其衍生结构的谐振型超材料适合构造二维或三维的左手材料和单负材料，易于集成，适于工作在高频段，并能够实现超材料绝大部分的超常电磁特性。然而现有的三维超材料结构普遍在加工与制作方面存在较多困难，尤其是对于蚀刻减成微带板制备工艺而言，只能在图形周边制备二维超材料结构，现有的垂直金属化孔无法形成完整三维连贯图形，更无法实现三维超材料结构的空间嵌套。
因此，如何实现性能优良、廉价、适宜生产的三维超材料多层微带板制备方法是目前亟待解决的问题。
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
本发明的目的在于解决如何制备性能优良、廉价、适宜生产的三维SRRs超材料多层微带板的问题，提供了一种基于三维SRRs超材料微带天线及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种基于三维SRRs超材料微带天线，包括天线图形、多个内层介质层、多个三维SRRs图形单元、底层微波地，所述多个内层介质层通过粘接材料层相互连接成介质组件，所述介质组件内部开设有用于放置多个三维SRRs图形单元的金属化孔，所述三维SRRs图形单元的组数与微带天线的天线振子数量相匹配，多个三维SRRs图形单元排布成阵列结构，形成三维SRRs图形阵列，所述天线图形包覆于所述介质组件的上表面，每个所述三维SRRs图形单元内至少具有一个三维SRRs图形件。
所述三维SRRs图形包括依次连接为框型结构的上层SRR图形、第一侧SRR图形、下层SRR图形和第二侧SRR图形，所述下层SRR图形中设有开口。
所述内层介质层的厚度为0.127～0.508mm。
所述三维SRRs图形件的线宽为0.05～0.1mm。
所述三维SRRs图形单元内包括多个大小不同的三维SRRs图形件，所述多个三维SRRs图形件按照大小依次嵌套，相邻的三维SRRs图形件之间的垂直间距为单个内层介质层厚度和单个粘接材料层厚度之和。
所述三维SRRs图形阵列的列间隙中开设有金属塞孔，所述金属塞孔包括金属塞孔本体和导电浆料，所述导电浆料填充于金属塞孔本体内。通过开设金属塞孔，加强了微带天线的屏蔽，改善了最大增益。
本发明还公开了一种上述基于三维SRRs超材料微带天线的制造方法，包括以下步骤：
S1：设计一种6层以上电路的多层微带板，包含外层基板和内层基板；
S2：在内层基板上钻孔，得到至少两个金属化孔，然后用导电浆料进行塞孔固化，打磨平整后进行电镀；
S3：在经电镀后的金属化孔两端制作上层SRR图形和下层SRR图形，在各个金属化孔的孔壁上分别制作第一侧SRR图形和第二侧SRR图形；
S4：将内层基板和外层基板热压形成多层结构；
S5：制作内层基板和外层基板的层间互联的金属塞孔、表层图形，表面涂镀，外形加工，得到小型化微带天线。
所述步骤S1中多层微带板至少包含3层芯板、2层粘接膜和4层电路层。
所述步骤S2中内层基板介质选用为介电常数为6.15以上的PTFE/玻纤布/陶瓷填料或PTFE/微玻纤体系/陶瓷填料。
优选的，介质材料选择为Rogers公司的RT6006、RT6010、TMM系列材料中材料之一或复配。
所述步骤S2中介质基板顶层的铜箔为压延铜箔、电解铜箔、反转铜箔、低轮廓铜箔中的任意一种，铜箔厚度为18μm或35μm。
所述步骤S2中在孔内化学镀形成附着在孔壁的铜层，厚度为1～2um。
所述步骤S2中塞孔通过丝网印刷辅助真空塞孔。
所述步骤S2中塞孔后使用覆盖膜保证固化过程中导电浆料的位置。
所述步骤S2中丝网印刷过程为：将网板、基板通过CCD定位，安装于真空塞孔机的工作台面，将导电浆料置于刮刀前方，按照设定工艺参数进行印刷，印刷过程中开启真空，使导电浆料均匀填充孔内，塞孔后撤除网板。
所述步骤S2中固化过程为将先基板放置于热风烘箱中固化。
所述步骤S2中预固化参数为按照导电浆料的推荐工艺曲线，最高固化温度不超过150℃，固化时间不超过3h。
所述步骤S2中导电浆料选择热固性材料体系，采用杜邦公司的CB100、CB102、LF181、QM34、QM35和TH035，Tatsuta公司的AE2217、AE1244、AE3030中的一种。
所述步骤S3中图形制作采用湿膜、干膜方法(LDI)或激光直写(LDS)之一。
优选的，所述步骤S3中图形制作采用激光直写方法。
所述步骤S4中适用的半固化片选自Rogers公司的2929、Rogers公司的GenClad-280、AGC公司的Fastrise27/28系列、电科46所的CFB278F、睿龙公司的RLP30、生益科技的SGP28N中的一种。
所述步骤S5中得到的微带天线的在外形尺寸≤180mm时可达到图形精度≤±0.05mm，层间位置精度为≤±0.15mm。
三维超材料即为SRR及其嵌套模式，目前实现有较大难度，该设计和制造均较少，具有显著的新颖性，其主要解决天线的小型化问题，即在保证同等性能的前提下缩小尺寸。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、本发明中制备得到基于三维SRRs超材料微带天线电性能指标优异，可使用在76～77GHz及以下的微波频段，带宽为-10dB，天线贴片图形尺寸可缩小至原来的25％以下，最大增益为4dB，除最大增益略有降低外，表现出比现有产品更优异的性能。
2、本发明中的基于三维SRRs超材料微带天线可靠性高，在3次288℃(10s)锡炉热冲击后及其高低温循环实验(25℃～150℃)350个循环之后无短路、开路，层间和金属化孔无破裂、分层等故障；
3、本发明中的制备方法突破了现有PCB工艺无法实现精细三维超材料结构的技术瓶颈，使微带天线尺寸大幅降低，满足了毫米波弹载、星载、机载等高集成度、高可靠性和高频段领域使用要求，推进了新一代天线组件的技术发展。
附图说明
图1为本发明对比例中微带天线的剖面结构图；
图2为本发明实施例1中微带天线的剖面结构图；
图3为本发明实施例2中微带天线的剖面结构图；
图4为本发明实施例1的V波段微带天线内层三维SRRs超材料的结构示意图；
图5为本发明实施例2的Ka波段微带天线内层三维SRRs超材料的结构示意图；
图6为本发明对比例中微带天线的工艺流程示意图；
图7为本发明实施例1中微带天线的工艺流程示意图；
图8为本发明实施例2中微带天线的工艺流程示意图。
附图标记
1-天线图形；2-连接器安装的馈电孔；3-馈电孔的金属化孔壁；4-RT6010介质；5-微波地；6-侧边SRR图形；7-隔离金属塞孔；9-内层板上层SRR图形9；10-内层板下层SRR图形；11-2929粘接材料；12-导电浆料；13-金属塞孔壁；14-外层板上层SRR图形；15-外层侧边SRR图形；16-SRR图形金属塞孔；17-外层板下层SRR图形；18-金属塞孔壁；19-导电浆料。
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。
对比例
对比例为双面微带天线，剖面结构图见图1。包含一层RT6010介质4(厚度0.254mm)、天线图形1、连接器安装的馈电孔2、馈电孔的金属化孔壁3和底层的微波地5。该天线的工艺流程图如图6所示。该天线的贴片尺寸为800μm×800μm，最大增益为6dB。
实施例1
如附图2和图4所示，本实施例1中的微带天线包括三层内层介质RT6010(厚度0.254mm)4、两层2929粘接材料11、天线图形1、连接器安装的馈电孔2、馈电孔的金属化孔壁3、底层的微波地5、三维SRRs图形。
三维SRRs图形包含：侧边SRR图形6(由金属化孔壁和导电浆料组成)、内层板上层SRR图形9和内层板下层SRR图形10。两列三维SRRs图形之间设有金属塞孔7(由金属塞孔壁13和导电浆料12组成)实施例1的SRR图形结构尺寸如下表1所示，其中a为介质单元的长度，b为介质单元的宽度，c为介质单元的高度，L为SRR图形金属线的长度，W为金属化孔高，Wd为金属线宽度，G为金属线开口间距，R为通孔的半径。
表1 SRRs图形特性尺寸
参数 尺寸(mm) 参数 尺寸(mm)
a 4 L 2
b 2 W 0.5
c 2 Wd 0.2
G 0.1
R 0.1
该天线的工艺流程图如图7所示。SRRs图形的制作过程为：通过真空塞孔在孔内塞入导电铜浆料，在导电浆料贯孔后的芯板上下覆盖承载膜，在80℃固化60min+130℃固化60min。导电浆料固化完成后去除承载膜。通过LDS制作表1中的SRR图形。使用2929将内层板和上下两层介质层RT6010(厚度0.254mm)进行热压。热压后的多层板与对比例流程类似，依次进行机械钻孔、孔金属化形成馈电孔2，通过图形转移和图形镀形成天线图形1，最后表面电镀2～3μm的金，外形加工得到天线成品。
实施例1的6层基于三维超材料微带天线在V频段内测试，贴片尺寸缩小至360μm×370μm，缩小至原来的21％，最大增益为3dB。在3次288℃(10s)锡炉热冲击后及其高低温循环实验(25℃～150℃)350个循环之后无短路、开路，层间和金属化孔无破裂、分层等故障。
实施例2
如3和图5所示，本实施例2中的微带天线包括五层内层介质层RT6010(厚度0.254mm)4、四层2929粘接材料11、天线图形1、连接器安装的馈电孔2、馈电孔的金属化孔壁3、底层的微波地5、三维嵌套SRRs图形。
三维嵌套SRRs图形：内层SRRs图形与实施例1类似，包含侧边SRR图形6(由金属化孔壁和导电浆料组成)、内层板上层SRR图形9和内层板下层SRR图形10，外层嵌套SRRs图形包含外层侧边SRR图形15(由金属化孔壁1和导电浆料2组成)、外层板上层SRRs图形14和外层板下层SRRs图形17。两列三维嵌套SRRs图形之间设有金属塞孔16(由金属塞孔壁18和导电浆料19组成)实施例二的SRRs图形结构尺寸如下表2所示，其中k为内外SRRs超材料的垂直间距，其他参数与实施例一中相同。
表2 SRRs图形特性尺寸
Figure BDA0003099387570000061
该天线的工艺流程图如图8所示。SRRs图形的制作过程为：在介质层的激光钻孔内塞入导电银浆料，在导电浆料贯孔后的芯板上下覆盖承载膜，在150℃固化60min。导电浆料固化完成后去除承载膜。通过LDS制作表2中的内SRR图形。使用fastRise27将中间三层介质层热压成为一体。机械钻孔后，塞入导电银浆料，在150℃固化60min。在铜箔上制备外SRR图形。最后将内层板和上下两层介质层进行热压。热压后的多层板与对比例流程类似，依次进行机械钻孔、孔金属化形成馈电孔2，通过图形转移和图形镀形成天线图形1，最后表面电镀2～3μm的金，外形加工得到天线成品。
实施例2的10层基于三维超材料微带天线的得到的在Ka频段内测试，贴片尺寸缩小至380μm×380μm，缩小至原来的23％，最大增益为4.5dB。在3次288℃(10s)锡炉热冲击后及其高低温循环实验(25℃～150℃)350个循环之后无短路、开路，层间和金属化孔无破裂、分层等故障。
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 (10)

1.一种基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，包括天线图形、多个内层介质层、多个三维SRRs图形单元、底层微波地，所述多个内层介质层通过粘接材料层相互连接成介质组件，所述介质组件内部开设有用于放置多个三维SRRs图形单元的金属化孔，所述三维SRRs图形单元的个数与微带天线的天线振子数量相匹配，多个三维SRRs图形单元排布成阵列结构，形成三维SRRs图形阵列，所述天线图形包覆于所述介质组件的上表面，每个所述三维SRRs图形单元内至少具有一个三维SRRs图形件。
2.如权利要求1所述的基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，每个所述三维SRRs图形件包括依次连接为框型结构的上层SRR图形、第一侧SRR图形、下层SRR图形和第二侧SRR图形，所述下层SRR图形中设有开口。
3.如权利要求1所述的基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，所述内层介质层的厚度为0.127～0.508mm。
4.如权利要求1所述的基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，所述三维SRRs图形件的线宽为0.05～0.1mm。
5.如权利要求1所述的基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，所述三维SRRs图形单元包括多个大小不同的三维SRRs图形件，所述多个三维SRRs图形件按照大小依次嵌套，相邻的三维SRRs图形件之间的垂直间距为单个内层介质层厚度和单个粘接材料层厚度之和。
6.如权利要求1所述的基于三维SRRs超材料微带天线，其特征在于，所述三维SRRs图形阵列的列间隙中开设有金属塞孔，所述金属塞孔包括金属塞孔本体和导电浆料，所述导电浆料填充于金属塞孔本体内。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的基于三维SRRs超材料微带天线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计一种6层以上电路的多层微带板，包含外层基板和内层基板；
S2：在内层基板上钻孔，得到至少两个金属化孔，然后用导电浆料进行塞孔固化，打磨平整后进行电镀；
S3：在经电镀后的金属化孔两端制作上层SRR图形和下层SRR图形，在各个金属化孔的孔壁上分别制作第一侧SRR图形和第二侧SRR图形；
S4：将内层基板和外层基板热压形成多层结构；
S5：制作内层基板和外层基板的层间互联的金属塞孔、表层图形，表面涂镀，外形加工，得到小型化微带天线。
8.如权利要求7所述的一种基于三维SRRs超材料微带天线的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中多层微带板至少包含3层芯板、2层粘接膜和4层电路层。
9.如权利要求7所述的一种基于三维SRRs超材料微带天线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中内层基板中内层介质层选用介电常数为6.15以上的PTFE/玻纤布/陶瓷填料或PTFE/微玻纤体系/陶瓷填料。
10.如权利要求7所述的一种基于三维SRRs超材料微带天线的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中导电浆料固化温度为120～170℃，固化时间为30～60min。
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