CN114336061A - 一种提高增益的毫米波介质谐振天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高增益毫米波介质谐振天线，该天线从上至下包括顶层金属贴片，矩形介质谐振器，中间金属层，硅基介质层，金属化通孔，底层金属层。顶层金属贴片加载在矩形介质谐振器上，矩形介质谐振器和顶层金属贴片构成天线辐射结构，矩形介质谐振器置于中间金属层上，中间金属层置于硅基介质层和矩形介质谐振器之间，并开有矩形耦合窗，硅基介质层置于中间金属层和底层金属层之间，金属化通孔贯穿硅基介质层连接中间金属层和底层金属层。电磁波通过馈电结构馈入，并通过中间金属层的耦合窗耦合到天线辐射结构。本发明利用矩形介质谐振器上加载贴片的方式，组成具有两个介质谐振单元的二元天线阵列，大幅提高了天线的增益。
Description
技术领域
本发明属于硅基毫米波天线领域，提供一种提高增益的毫米波介质谐振天线。
背景技术
当下毫米波天线单元主要采用贴片天线，缝隙天线，介质谐振天线等形式。
(1)贴片天线：传统的贴片天线单元具有高Q值，易加工的特点。但是，在硅基介质上，由于硅基介质具有高介电常数的特性，贴片天线的增益通常低于0dBi，且在毫米波频段的工作带宽通常低于5％。
(2)缝隙天线：传统的缝隙天线单元具有易加工，小体积的特点。但是，由于硅基介质的高介电常数，缝隙天线在硅基介质上的辐射效率很低。
(3)介质谐振天线：介质谐振天线是良好的天线单元，介质谐振天线具有高辐射效率，小体积。传统的介质谐振天线通常采用矩形介质谐振天线的形式，通过调节矩形介质谐振天线的长，宽，高来控制天线的谐振模式，是片上天线的良好解决方案。文章(Debin Hou,Wei Hong,Wang-Ling Goh and others,“D-Band On-Chip Higher-Order-ModeDielectric-Resonator Antennas Fed by HalfMode Cavity in CMOS Technology”IEEEAntennas and Propagation Magazine,Vol.56,No.3,June 2014)提出一种利用高次模谐振的矩形介质谐振天线，该天线具有7.5dBi的增益和7％的带宽，解决了片上天线增益低的难题。但是，由于该天线工作于高次模
的工作模式，介质谐振器中有部分电场反相，这会降低天线的有效口径效率，降低天线的增益。
发明内容
发明目的：为了克服传统片上天线增益低的问题，本发明公开了一种提高增益的毫米波介质谐振天线。本发明在解决传统片上天线增益低的问题的同时提供了一种利用顶层金属贴片来对介质谐振单元进行横向组阵的方案，使介质谐振天线组阵的加工更加简单，方便。
技术方案：本发明提出一种提高增益的毫米波介质谐振天线，该谐振天线包括馈电结构和辐射结构；所述馈电结构包括硅基介质层(4)、中间金属层(3)、以及底层金属层(6)，所述辐射结构包括矩形金属贴片(1)和矩形介质谐振器(2)，所述矩形金属贴片(1)位于矩形介质谐振器(2)顶面上；所述矩形介质谐振器(2)的底面与硅基介质层(4)的顶面之间设有中间金属层(3)，底层金属层(6)位于硅基介质层(4)的底面上；硅基介质层(4)的顶面和底面之间贯穿有多个金属化通孔(5)，金属化通孔(5)两端分别与中间金属层(3)和底层金属层(6)物理连接，所述中间金属层(3)设置有耦合窗(3-1)；所述矩形金属贴片(1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠，所述耦合窗(3-1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠。
优选的，所述多个金属化通孔(5)包括平行的两行横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔，所述两行横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔呈“匚”形排列，所述耦合窗(3-1)在垂直方向上位于两行横向排列金属化通孔和纵向排列的金属化通孔的中间位置。
优选的，所述顶层矩形金属贴片(1)的垂直方向两条边不与矩形介质谐振器(2)垂直方向两条边连接，矩形介质谐振器(2)两端在垂直方向上未被顶层金属贴片(1)所覆盖的部分构成两个介质谐振单元D1、D2，所述两个介质谐振单元D1、D2构成二元天线阵列。从矩形耦合窗(3-1)耦合的电磁波，沿着顶层金属贴片(1)馈入到介质谐振单元D1、D2，在介质谐振单元D1、D2中激发出等幅同相的电场并向外辐射。
如图5所示，两个介质谐振单元D1、D2分别为矩形介质谐振器(2)未被顶层金属贴片(1)所覆盖的左右两个垂直方向上的部分。所述顶层矩形金属贴片(1)的垂直方向两条边不与矩形介质谐振器(2)垂直方向两条边连接，但是，水平方向上的两条边可以重合，并且，顶层矩形金属贴片(1)位于矩形介质谐振器(2)的面内，最多水平方向上的两条边可以重合，垂直方向上的两条边不重合，并且垂直方向上的两条边也不会超出矩形介质谐振器(2)的面内。
优选的，所述矩形介质谐振器(2)的材料为介电常数大于10，且电阻率大于1kΩ·cm的介质。
优选的，所述中间金属层(3)的边不与矩形介质谐振器(2)的边重合，也即矩形介质谐振器(2)完全位于其与中间金属层(3)的接触面内。
优选的，所述硅基介质层(4)、中间金属层(3)所述底层金属层(6)三者形状大小完全一致。
上述谐振天线工作时，谐振天线的各个部件参数与入射波的波长最优的关系如下：
如图3所示，中心线AA′是矩形耦合窗的中心点c3所在的直线，矩形耦合窗关于中心线AA′对称，矩形耦合窗中心点c3到纵向排列的金属化通孔的水平距离ds的取值范围为0.45-0.55个入射波长；矩形耦合窗的长度sy的取值范围为0.15-0.35个入射波长，矩形耦合窗的宽度sx的取值范围为0.25-0.35个入射波长。
如图3所示，矩形介质谐振器的中心点c2与矩形耦合窗的中心点c3重合；所述矩形介质谐振器的长度ry的取值范围为0.9-1.2个入射波长；所述矩形介质谐振器的宽度rx的取值范围为0.7-0.9个入射波长；所述矩形介质谐振器的厚度h取0.25-0.35个入射波长。所述中间金属层和底层金属层的厚度小于0.15个入射波长。
如图3所示，顶层金属贴片的中心点c1与矩形耦合窗的中心点c3重合；所述顶层金属贴片的长度py的取值范围为0.45-0.65个入射波长；所述顶层金属贴片的宽度px的取值范围为0.35-0.65个入射波长，其中，硅基介质层(4)、中间金属层(3)、底层金属层(6)三者形状大小完全一致，三者的宽度gx，长度是gy，并且长度和宽度按照实际需要取值。
如图5所示，利用顶层金属贴片对电场的调控作用将矩形介质谐振器等效为两个大小相同，间距为金属贴片的长度py的矩形介质谐振单元D1，D2；输入的电磁波沿着金属贴片到达矩形介质谐振单元D1，D2，在两个介质谐振单元D1，D2产生同相的电场并向外辐射；两个介质谐振单元D1，D2构成一个同相，等幅，间距为py的二元天线阵列，大幅提高了天线增益。天线工作时，从矩形耦合窗(3-1)耦合的电磁波，沿着顶层金属贴片(1)馈入到介质谐振单元D1、D2，在介质谐振单元D1、D2中激发出等幅同相的电场并向外辐射。
有益效果，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)在现有研究方案中，本发明的增益存在明显的优势。作为单个天线单元，传统贴片天线在硅基介质上天线增益通常小于0dBi，传统的矩形介质天线单元在硅基上通常为6-7dBi。本发明采用MEMS工艺设计，便于加工，并且采用矩形介质谐振器加载顶层金属贴片的结构，将矩形介质谐振器等效为两个介质谐振单元，两个介质谐振单元又构成一个二元天线阵列，大幅提高了天线增益。
(2)本发明通过在矩形介质谐振器上加载金属贴片来调控电场来将矩形介质谐振器等效为两个大小相同，间距为金属贴片的长度py的矩形介质谐振单元D1，D2；电磁波沿着金属贴片到达矩形介质谐振单元D1，D2，在两个介质谐振单元D1，D2产生同相的电场并向外辐射；两个介质谐振单元D1，D2构成一个同相，等幅，间距为py的二元天线阵列，大幅提高了天线增益。
附图说明
图1为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线整体三维结构示意图；
图2为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线整体结构示意图；
图3为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线俯视参数图；
图4为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线侧视参数图；
图5为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线组阵示意图；
图6为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线S参数示意图；
图7为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线增益图；
图8中的a和b分别为本发明实施例中一种高增益毫米波介质谐振天线E面和H面的方向图。
图中标号说明：矩形金属贴片(1)、矩形介质谐振器(2)、中间金属层(3)、硅基介质层(4)、金属化通孔(5)、底层金属层(6)、耦合窗(3-1)。
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，下面结合附图并举例实施例，对发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
本实施例中的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，该谐振天线包括馈电结构和辐射结构；所述馈电结构包括硅基介质层(4)、中间金属层(3)、以及底层金属层(6)，所述辐射结构包括矩形金属贴片(1)和矩形介质谐振器(2)，所述矩形金属贴片(1)位于矩形介质谐振器(2)顶面上；所述矩形介质谐振器(2)的底面与硅基介质层(4)的顶面之间设有中间金属层(3)，底层金属层(6)位于硅基介质层(4)的底面上；硅基介质层(4)的顶面和底面之间贯穿有多个金属化通孔(5)，金属化通孔(5)两端分别与中间金属层(3)和底层金属层(6)物理连接，所述中间金属层(3)设置有耦合窗(3-1)；所述矩形金属贴片(1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠，所述耦合窗(3-1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠。
如图1所示，从上至下的垂直方向依次包括矩形金属贴片，矩形介质谐振器，中间金属层，硅基介质层，金属化通孔，底层金属层。所述硅基介质层顶面和底面贯穿有多个金属化通孔，金属化通孔两端分别与中间金属层和底层金属层物理连接；矩形金属贴片位于矩形介质谐振器顶面内，矩形介质谐振器底面位于中间金属层的顶面内，中间金属层的底面位于硅基介质层的顶面上，底层金属层位于硅基介质层的底面上。
其中，金属化通孔包括平行的两行横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔，两行横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔呈“匚”形排列。
如图2所示，中间金属层中开有一个耦合窗；耦合窗在垂直方向上位于两行横向排列金属化通孔和纵向排列的金属化通孔的中间位置，所述耦合窗为矩形耦合窗。
本实施例采用MEMS制造工艺设计的工作于的136.5-143.5GHz的高增益介质谐振天线作为例子进行举例说明。根据入射波的频率136.5-143.5GHz设计天线的参数如下：
如图3所示中心线AA′是矩形耦合窗的中心点c3所在的直线，矩形耦合窗关于中心线AA′对称；矩形耦合窗中心点c3到纵向排列的金属化通孔的水平距离ds＝475um；矩形耦合窗的长度sy＝290um；矩形耦合窗的宽度sx＝325um。
本实施例中，矩形介质谐振器的材料是介电常数为11.9，电阻率为6000Ω·cm的硅；矩形介质谐振器的中心点c2在垂直方向上与矩形耦合窗的中心点c3重合；矩形介质谐振器的长度ry＝1135um；所述矩形介质谐振器的宽度的为rx＝800um；矩形介质谐振器的厚度h＝250um。
本实施例中，顶层金属贴片的中心点c1在垂直方向上与矩形耦合窗的中心点c3重合；顶层金属贴片的长度为py＝550um；顶层金属贴片的宽度为px＝560um。
如图5所示，电磁场沿着金属贴片到达矩形介质谐振单元D1，D2，在两个介质谐振单元D1，D2产生同相的电场并向外辐射；两个介质谐振单元D1，D2构成一个同相，等幅，间距为py的二元天线阵列，大幅提高了天线增益。
本实施例中，硅基介质层的材料是介电常数为11.9，电阻率为6000Ω·cm的硅；金属化通孔的直径d＝120um；两行横向排列金属化通孔的距a＝600um，金属化通孔之间的间距p＝200um。
天线工作过程如下：
入射波入射到天线的辐射结构上，在介质谐振单元D1，D2上产生谐振产生同相的电场，经谐振后的入射波沿着顶层金属贴片向顶层金属贴片中心点c1传播，入射波在顶层金属贴片中心点c1同相叠加后再通过矩形耦合窗耦合到馈电结构，完成天线对入射波的接收过程。
输入的入射波在两行横向排列的金属通孔和中间层金属层和底层金属层之间传播，到达矩形耦合窗，通过矩形耦合穿耦合到天线的辐射结构，耦合到辐射结构的电磁波沿着金属贴片向介质谐振单元d1，d2传播，在d1，d2谐振产生同相的电场并向外辐射，完成天线的辐射过程。
图6至图7、图8a、图8b给出了天线的仿真性能；其中，如图6所示，高增益毫米波介质谐振天线在136.5-143.5GHz的频段范围内端口反射系数S11小于-10dB。如图7所示，高增益毫米波介质谐振天线在136.5-143.5GHz的频段范围内其增益变化范围小于1dBi，可以看到高增益毫米波介质谐振天线增益为9.5dBi@140GHz，体现了本发明增益高的优点。图8a和图8b给出了本发明在146.5GHz，140GHz以及143.5GHz的E面和H面的天线方向图，可以看到高增益毫米波介质谐振天线具有低副瓣的特点。
Claims (8)
1.一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，该谐振天线包括馈电结构和辐射结构；所述馈电结构包括硅基介质层(4)、中间金属层(3)、以及底层金属层(6)，所述辐射结构包括矩形金属贴片(1)和矩形介质谐振器(2)，所述矩形金属贴片(1)位于矩形介质谐振器(2)的顶面内；所述矩形介质谐振器(2)的底面与硅基介质层(4)的顶面之间设有中间金属层(3)，底层金属层(6)位于硅基介质层(4)的底面上；所述硅基介质层(4)的顶面和底面之间贯穿有多个金属化通孔(5)，所述多个金属化通孔(5)两端分别与中间金属层(3)和底层金属层(6)物理连接；所述中间金属层(3)上设置有耦合窗(3-1)；所述矩形金属贴片(1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠，所述耦合窗(3-1)与矩形介质谐振器(2)在垂直方向上中心重叠。
2.根据权利要求1所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述矩形金属贴片(1)的垂直方向两条边与矩形介质谐振器(2)顶面垂直方向两条边不连接，矩形介质谐振器(2)顶面在垂直方向上未被矩形金属贴片(1)所覆盖的两端构成两个介质谐振单元D1、D2，所述两个介质谐振单元D1、D2构成二元天线阵列。
3.根据权利要求1所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述多个金属化通孔(5)包括两行平行的横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔，所述两行横向排列金属化通孔和一列纵向排列的金属化通孔呈“匚”形排列。
4.根据权利要求3所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述耦合窗(3-1)在垂直方向上位于两行横向排列金属化通孔和纵向排列的金属化通孔的中间位置。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述矩形介质谐振器(2)底面位于其与中间金属层(3)的接触面内，并且，所述中间金属层(3)的边不与矩形介质谐振器(2)底面的边重合。
6.根据权利要求1或2或3所述一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述耦合窗(3-1)为矩形耦合窗。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述硅基介质层(4)、中间金属层(3)、底层金属层(6)三者形状大小完全一致。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种提高增益的毫米波介质谐振天线，其特征在于，所述矩形介质谐振器(2)的材料为介电常数大于10，且电阻率大于1kΩ·cm的介质。
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