CN114069233A - 一种相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相控阵天线，属于无线通信技术领域。其包括阵列天线、射频组件和盖板结构。阵列天线与射频组件通过三维MEMS工艺加工制造形成的微同轴结构实现，阵列天线与射频组件采用10层MEMS工艺一体化加工形成，阵列天线采用微带串联馈电形式实现波束一维扫描，射频组件集成了等相位传输线与多功能芯片，用于实现阵列天线馈电的幅度与相位控制，盖板结构为金属材料制造，用于实现射频组件的电磁信号屏蔽。本发明具有低剖面、低损耗和优良的导热性特点。
Description
技术领域
本发明涉及到无线通信技术领域，特别涉及一种相控阵天线。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展以及人们对高速数据传输的需求，更高频段(60GHz)、更快的短距离无线通信技术(WiGig)已经成为了研究热点。但由于60GHz电磁波波长较短、空间传输损耗较大，因而通信系统对天线的增益提出了更高的要求。相控阵天线通过阵列波束合成的方式，能够提高天线的方向性系数，从而提高波束指向增益。此外，通过配置相控阵天线馈电口的幅度及相位，能够实现波束的扫描与赋形。因此，相控阵天线技术在毫米波频段具有广阔的应用前景。
天线的物理尺寸与其工作频率呈反比关系。在60GHz(波长仅为5mm)，天线尺寸非常小(mm量级)。因此，喇叭天线、对数周期天线、卡塞格伦天线、八木天线这几种天线形式，均无法应用在阵列天线技术中。波导缝隙天线尺寸较小，在60GHz可以实现阵列化设计，但存在加工难度较大、成本高的问题。微带天线具有低剖面、小尺寸、轻量化、易于集成的优势，已广泛应用于毫米波频段。目前，已有基于硅、陶瓷、PCB等材料的阵列天线形式，但存在介质基板损耗较大的问题。此外，相控阵天线一般功耗较大，需要高导热材料进行高效导热散热。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种相控阵天线。该天线具有低剖面、低损耗和优良的导热性特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种相控阵天线，包括从上至下层叠设置的阵列天线、射频组件和盖板结构，
所述阵列天线包括第一金属基板，第一金属基板上表面设有串联辐射贴片，且辐射贴片与金属基板之间支撑材料隔开；所述串联辐射贴片的一端设有用于实现波导馈电的波导背腔，另一端为阵列天线的微同轴传输结构；所述微同轴传输结构包括中心内导体、天线馈电匹配导体和用于支撑中心内导体的介质支撑桥，其中，中心内导体通过天线馈电匹配导体连接在串联辐射贴片的另一端；
所述辐射组件包括第二金属基板，第二金属基板的上表面上设有多功能芯片、转接板和用于实现各天线单元之间等相位配置的地线；所述地线与中心内导体构成一体化结构的等相位传输线；等相位传输线与串联辐射贴片一一对应；等相位传输线通过金丝键合与多功能芯片的公共端口互连；所述转接板包括两个，分别位于多功能芯片的左右两侧，并通过金丝键合的方式与多功能芯片连接；所述多功能芯片连接实现波导传输的微带探针；所述微带探针位于波导背腔中；
所述盖板结构包括第三金属基板，第三金属基板的上表面设有两个连接器，两个连接器与两个转接板连接。
进一步的，所述支撑材料为SU-8厚胶。
进一步的，所述介质支撑桥的材料采用具备低介电常数、低损耗角正切和低应力的特性的材料。
进一步的，所述多功能芯片的下表面焊接有用于实现与射频组件热膨胀系数匹配的可伐或钼铜载体。
进一步的，所述转接板为印制板，其上下表面沉积用可焊金。
进一步的，所述串联辐射贴片包括至少4个辐射贴片，辐射贴片之间通过金属导体互连。
进一步的，所述第一金属基板、第二金属基板和第三金属基板的材料为铜、金、铝或钨金的材料。
进一步的，所述微同轴传输结构为一空腔结构，空腔结构内部设有所述介质支撑桥、中心内导体和天线馈电匹配导体。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的阵列天线与射频组件通过微同轴结构实现毫米波信号的传输互连，盖板结构实现对多功能芯片与转接板表面传输线的电磁屏蔽。由于采用微同轴结构，降低了信号传输过程中的损耗，提高了天线增益以及传输效率。其次，采用微同轴结构实现了阵列天线与射频组件的垂直互连，从而实现了相控阵天线的低剖面与小型化。最后，本发明涉及的微同轴结构均由金属材料制备而成，具有良好的导热性与散热性，多功能芯片产生的热耗可以实现高效导热与散热。
附图说明
图1为本发明实施例爆炸结构示意图；
图2为本发明实施例中阵列天线的上表面结构示意图；
图3为本发明实施例中阵列天线的下表面结构示意图；
图4为本发明实施例中射频组件的上表面结构示意图。
图5为本发明实施例中盖板结构的上表面结构示意图。
图6为本发明实施例的各端口驻波比仿真结果示意图。
图7为本发明实施例的扫描角度仿真结果示意图。
图中：1、阵列天线，2、射频组件，3、盖板结构，4、辐射贴片，5、销钉定位孔，6、波导背腔，7、支撑材料，8、释放孔，9、介质支撑桥，10、中心内导体，11、天线馈电匹配导体，12、微带探针，13、转接板，14、多功能芯片，15、等相位传输线，16、金丝键合，17、连接器，18、弯曲金属针。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参照图1至图5，阵列天线1和射频组件2，通过三维MEMS工艺加工技术一体化实现，盖板结构3销钉固定的方式与阵列天线1、射频组件2实现组装；
所述阵列天线1，正面设置了串联辐射贴片4，所述串联辐射贴片4由支撑材料7实现支撑；所述阵列天线1包括销钉定位孔5，用于实现阵列天线1与其他结构层的定位对准；所述阵列天线1包括波导背腔6，用于实现波导馈电。所述阵列天线1的传输结构由微同轴构成，包括释放孔8、介质支撑桥9、中心内导体10、天线馈电匹配导体11。介质支撑桥9通过阵列的方式进行排布，起到支撑中心内导体的作用。释放孔8用于释放微同轴传输结构中的牺牲层，实现微同轴传输结构内的空气腔。天线馈电匹配导体11用于天线馈电端口的阻抗匹配。
所述射频组件2，正面设置了等相位传输线15，由微同轴传输结构构成，用于实现不同天线单元之间的等相位配置。多功能芯片14(包含数控移相、数控衰减功能、合路功能)，通过金丝键合16的方式，与等相位传输线15实现互连。多功能芯片14的公共端口与微同轴传输结构互连后，通过微带探针12的形式实现波导传输结构转换。多功能芯片14的控制、供电接口通过金丝键合的方式与转接板13互连。
所述盖板结构3，正面设置了销钉定位孔、金属腔体、连接器17，所述连接器包括弯曲金属针18。
优选的，所述相控阵天线的材料为铜，通过金属溅射后电镀的工艺实现制造，然后再进行溅射金，防止铜层氧化，同时能够实现金丝键合。
优选的，所述支撑材料7可以是SU-8等厚胶，通过旋涂、固化的方式实现。
优选的，所述介质支撑桥9的采用低介电常数、低损耗角正切、低应力的材料，用于保证微同轴中心导体10的平整度，同时降低微同轴传输的损耗。
优选的，多功能芯片14背面需要焊接可伐或者钼铜载体，用于实现与频组件2的热膨胀系数匹配，提高相控阵天线可靠性。
优选的，转接板13可以采用印制板，上下表面沉积可焊金，用于实现与射频组件2的焊接、以及与连接器弯曲金属针18的焊接。
如图1所示，所述转接板的相控阵天线包括阵列天线1、射频组件2、盖板结构3，通过10层三维MEMS加工工艺制造实现，加工过程中，每加工一层需要通过旋涂牺牲层、固化胶体、对准、曝光、显影、溅射、电镀、去除牺牲层的工艺步骤，实现对每一层金属图形的制备；制备完成后，需要进行约20～40分钟高温烘烤，释放金属内部应力；MEMS微同轴结构进行加工时，需要在基板上加工制造，一般选择硅作为承载微结构的基板，基板上覆盖有牺牲层，便于微结构加工完成后与基板进行分离。
其中，所述阵列天线1位于射频组件2的正上方，盖板结构3位于射频组件2的正下方；
所述阵列天线1由10层MEMS工艺的前5层工艺实现，中心导体10处于第三层MEMS工艺；
所述射频组件2由10层MEMS工艺的后5层工艺实现，等相位传输线15位于第6～第10层；
所述阵列天线1、射频组件2通过三维MEMS工艺加工制造一体化实现，与盖板结构3通过销钉孔定位对准，并通过销钉实现固定；
所述阵列天线1为8通道串连馈电微带天线，每个线阵天线包括4个辐射贴片，8通道串联馈电微带天线之间的间距满足无栅瓣扫描角度要求，从而实现相控阵天线波束的一维扫描；
本发明中的相控阵天线分解结构图如图1所示，所述相控阵天线包括串联辐射贴片4，销钉定位孔5、波导背腔6、支撑材料7、释放孔8、介质支撑桥9、中心内导体10、天线馈电匹配导体11、微带探针12、转接板13、多功能芯片14、等相位传输线15、金丝键合16。
其中，所述串联辐射贴片4由4个辐射贴片构成、每个辐射贴片通过金属导体互连，每个辐射贴片下方由4个支撑材料7进行支撑，以保证辐射贴片的可加工性与可靠性，辐射贴片为线极化天线，通过改变天线的放置角度，可以实现极化的改变。
所述等相位传输线15由8根相同长度的微同轴传输线构成，通过三维MEMS工艺加工制造实现，为实现与多功能芯片14的金丝键合互连，微同轴端口转换为共面波导端口。
所述微波探针12与波导背腔6通过销钉孔实现定位互连，波导接口为标准接口，通过微波探针阶跃阻抗与背腔实现端口的阻抗匹配。
本发明实施例中的金属材料可以是铜、金、铝、钨金等材料，牺牲层材料可以是AZ、BPN、KMPR、BPR100、WBR等大厚度的光刻胶材料。
如图3所示，所述背腔6与阵列天线1是分立的结构，阵列天线1的馈电口通过平面-垂直互连方式实现转换。
如图4所示，所述多功能芯片14、转接板13通过共晶焊接或导电胶粘合的方式实现与射频组件2的电连接，通过金丝键合的方式实现不同载片之间的pad电连接。
如图5所示，所述盖板结构3中心有金属腔体，用于实现射频组件正面传输信号、供电信号、控制信号的电磁屏蔽，为保证性能，可在腔体内贴合吸波材料。
如图6所示，所述相控阵天线在60GHz附近工作频段驻波良好。
如图7所示，所述相控阵天线可以实现空间的波束连续扫描。
本发明实施例中，天线辐射功能的实现与现有技术相同：
当相控阵天线工作在发射模式时，射频信号路径为：微带探针12馈入→由金丝键合16实现与多功能芯片射频公共端口的电连接→经过多功能芯片14分成8路→8路等相位传输线15→中心内导体10→天线馈电匹配导体11→串联辐射贴片，完成电磁波信号的发射。
当相控阵天线工作在接收模式时，电磁波传输路径与发射相反。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种相控阵天线，包括从上至下层叠设置的阵列天线、射频组件和盖板结构，其特征在于，
所述阵列天线包括第一金属基板，第一金属基板上表面设有串联辐射贴片，且辐射贴片与金属基板之间支撑材料隔开；所述串联辐射贴片的一端设有用于实现波导馈电的波导背腔，另一端为阵列天线的微同轴传输结构；所述微同轴传输结构包括中心内导体、天线馈电匹配导体和用于支撑中心内导体的介质支撑桥，其中，中心内导体通过天线馈电匹配导体连接在串联辐射贴片的另一端；
所述辐射组件包括第二金属基板，第二金属基板的上表面上设有多功能芯片、转接板和用于实现各天线单元之间等相位配置的地线；所述地线与中心内导体构成一体化结构的等相位传输线；等相位传输线与串联辐射贴片一一对应；等相位传输线通过金丝键合与多功能芯片的公共端口互连；所述转接板包括两个，分别位于多功能芯片的左右两侧，并通过金丝键合的方式与多功能芯片连接；所述多功能芯片连接实现波导传输的微带探针；所述微带探针位于波导背腔中；
所述盖板结构包括第三金属基板，第三金属基板的上表面中心处设有用于实现电磁屏蔽的金属腔，金属腔的外侧设有两个连接器，两个连接器与两个转接板一一对应并相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述支撑材料为SU-8厚胶。
3.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述介质支撑桥的材料采用具备低介电常数、低损耗角正切和低应力的特性的材料。
4.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述多功能芯片的下表面焊接有用于实现与射频组件热膨胀系数匹配的可伐或钼铜载体。
5.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述转接板为印制板，其上下表面沉积用可焊金。
6.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述串联辐射贴片包括至少4个辐射贴片，辐射贴片之间通过金属导体互连。
7.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述第一金属基板、第二金属基板和第三金属基板的材料为铜、金、铝或钨金的材料。
8.根据权利要求1所述的一种相控阵天线，其特征在于，所述微同轴传输结构为一空腔结构，空腔结构内部设有所述介质支撑桥、中心内导体和天线馈电匹配导体。
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