CN114792881B - 一种微机电毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机电毫米波天线，涉及天线技术领域，微机电毫米波天线包括：用于辐射电磁波的主辐射单元，以及用于向主辐射单元馈电的微同轴线，微同轴线的一端与主辐射单元连接；用于屏蔽电磁干扰的金属槽，金属槽包括侧壁，以及与侧壁连接的底板，侧壁开设有固定口，主辐射单元设置于金属槽的槽口，微同轴线的另一端通过固定口向外延伸，微同轴线外侧壁与固定口连接；用于拓宽天线带宽的寄生天线，寄生天线的一端与底板连接，寄生天线的另一端延伸至金属槽的槽口。本申请的设计可以有效解决传统微机电毫米波天线的工作频带窄和辐射效率低的技术问题。

Description

一种微机电毫米波天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种微机电毫米波天线。

背景技术

随着无线通信事业和雷达的深入研究和应用发展，毫米波通信技术备受关注,例如5G毫米波通信、汽车雷达、毫米波卫星通信等应用。无线技术在为人们带来便利的同时，也对系统各个器件的重量、尺寸、带宽等性能指标提出了越来越高的要求。毫米波通常指的是频率处于30GHz-300GHz的电磁波，其波长在1cm-1mm之间。作为毫米波最突出的优势之一，毫米波波段能够实现比微波频段更宽的带宽和更多的信道，实现甚至高达10Gbps以上的无线传输速率。毫米波天线作为通信系统中重要组成部分，是毫米波通信技术的核心技术之一，也是未来发展重要方向。

高频毫米波的路径损耗和衰减更高，因此信号难以传送很远。相比较于毫米波，在Sub6频段,长Cable带来的衰减相对来说不是问题，例如在iphone8plus中，WiFi和手机之间的长Cable带来的损耗可以忽略。但是对于毫米波来说，毫米波天线不能放在远离主电路，比如PA,否则cable传输损耗会特别严重，因此将毫米波天线集成在SIP模块中成为了一种趋势。封装天线(简称AiP)是基于封装材料与工艺将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流，为系统级无线芯片提供了良好的天线解决方案，因而深受广大芯片及封装制造商的青睐。AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积，代表着近年来天线技术的重要成就。另外，AiP技术将天线触角伸向集成电路、封装、材料与工艺等领域，倡导多学科协同设计与系统级优化。AiP技术已逐渐趋于成熟。

AiP技术是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的封装内。AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积。传输线作为毫米波天线与PA等其它电路之间的电气连接对天线性能有较大影响。在毫米波频段，传统微带传输线暴露出辐射损耗大、Q值低、易激发高次模等缺点，而金属波导虽然具有高Q值、高功率容量和低损耗等特性，但是金属波导尺寸庞大、成本高、且难以与平面电路集成。因此，需要一种在毫米波频段具有小尺寸、低剖面、低损耗、高Q值且易于集成的平面传输线。采用这种传输线馈电的毫米天线损耗更低，且易于集成。

本质上本次发明的毫米波天线仍属于微带天线范畴。而微带天线存在着工作频带较窄和辐射效率低量大缺陷，极大的影响了微带天线的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电毫米波天线，以解决现有技术中存在的工作频带窄和辐射效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例的第一方面提供了一种微机电毫米波天线，包括：用于辐射电磁波的主辐射单元，以及用于向所述主辐射单元馈电的微同轴线，所述微同轴线的一端与所述主辐射单元连接；用于屏蔽电磁干扰的金属槽，所述金属槽包括侧壁，以及与所述侧壁连接的底板，所述侧壁开设有固定口，所述主辐射单元设置于所述金属槽的槽口，所述微同轴线的另一端通过所述固定口向外延伸，所述微同轴线外侧壁与所述固定口连接；用于拓宽天线带宽的寄生天线，所述寄生天线的一端与所述底板连接，所述寄生天线的另一端延伸至所述金属槽的槽口。

在一些实施例中，所述主辐射单元包括馈电线和辐射片，所述馈电线的一端与所述辐射片连接，所述馈电线两侧均对称设置有两个所述寄生天线。

在一些实施例中，所述同轴线包括外壳，以及设置于所述外壳内的内芯，所述内芯包括输入部和支撑部，所述输入部的一端用于输入信号，所述输入部的另一端与所述支撑部连接，所述支撑部与所述馈电线的另一端连接，所述外壳外侧壁与所述固定口连接。

在一些实施例中，所述内芯与所述外壳之间设置有支撑条，所述支撑条两端与所述外壳内壁连接，所述内芯设置于所述支撑条上，所述支撑条为绝缘材料。

在一些实施例中，所述主辐射单元、所述寄生天线和所述侧壁均等间隔开设有释放孔。

在一些实施例中，采用MEMS工艺技术加工制作所述微机电毫米波天线。

在一些实施例中，所述寄生天线呈L型，所述寄生天线的一端与所述底板连接，所述寄生天线的另一端与所述主辐射单元在同一平面平齐。

在一些实施例中，所述主辐射单元内侧两端均连接有支撑脚，所述支撑脚与所述底板连接。

在一些实施例中，所述主辐射单元、微同轴线、金属槽和寄生天线均可采用钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝制成。

在一些实施例中，所述主辐射单元宽度的计算公式为：

所述主辐射单元长度的计算公式为：

其中，c表示真空中的光速，f₀表示中心频率，W表示所述主辐射单元宽度，L表示所述主辐射单元长度，h表示所述主辐射单元厚度，ε_R表示介质的相对介电常数，ε_eff表示等效介电常数。

根据本发明实施例的一种微机电毫米波天线，至少具有如下有益效果：

1、结构方面，微同轴线的馈电结构具有可以任意方向折叠，易于毫米波天线与其他集成电路的集成。

2、通过控制金属槽的高度和尺寸可以方便控制天线的增益和带宽。并且采用金属背腔可以部分解决天线对其他电路的电磁干扰问题，改善整个电路系统的EMI。

3、采用寄生天线，调整寄生天线与馈线之间间距，采用耦合的方式，提高了天线的带宽。

4、调整主辐射单元与金属槽的高度，显著提高带宽，提高了天线的辐射效率。

5、采用支撑脚支撑主辐射单元，不仅对天线的小型化有所改善，另外一方面也可以对主辐射单元进行结构的力学支撑，还可以改善毫米波天线的散热效果。

6、采用在金属槽和主辐射单元上开释放孔，以便剥离液与光刻胶充分反应，方便Release；另外一方面可以在不影响天线性能的基础上，减轻天线的重量，提高结构的稳定性和可靠性。

7、该天线采用MEMS微加工技术，与半导体集成电路工艺兼容，方便与其他半导体器件进一步集成，降低成本，提高效率，易于量产。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用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。

图1为根据实施例的主视图；

图2为根据实施例的侧视分解结构示意图；

图3为根据实施例的微同轴线侧视结构示意图；

图4为根据实施例的金属槽侧视结构示意图；

图5为根据实施例的内芯结构示意图；

图6为根据实施例的仿真回波损耗图；

图7为根据实施例的仿真电磁场辐射方向图(Phi＝0&90)；

图8为根据实施例的仿真电磁场辐射方向图(Theta＝60)。

附图标记说明如下：1、主辐射单元；2、微同轴线；3、金属槽；4、侧壁；5、底板；6、固定口；7、寄生天线；8、馈电线；9、辐射片；10、外壳；11、内芯；12、输入部；13、支撑部；14、支撑条；15、释放孔；16、支撑脚。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连通”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

以下结合本说明书的附图1至图5，对本公开的较佳实施方式予以进一步地详尽阐述。

请参阅图1至图5。

根据一些实施例，本申请提供一种微机电毫米波天线，所述微机电毫米波天线包括：用于辐射电磁波的主辐射单元1，以及用于向所述主辐射单元1馈电的微同轴线2，所述微同轴线2的一端与所述主辐射单元1连接；用于屏蔽电磁干扰的金属槽3，所述金属槽3包括侧壁4，以及与所述侧壁4连接的底板5，所述侧壁4开设有固定口6，所述主辐射单元1设置于所述金属槽3的槽口，所述微同轴线2的另一端通过所述固定口6向外延伸，所述微同轴线2外侧壁4与所述固定口6连接；用于拓宽天线带宽的寄生天线7，所述寄生天线7的一端与所述底板5连接，所述寄生天线7的另一端延伸至所述金属槽3的槽口。

根据一些实施例，所述主辐射单元1包括馈电线8和辐射片9，所述馈电线8的一端与所述辐射片9连接，所述馈电线8两侧均对称设置有两个所述寄生天线7。

基于上述实施例，微同轴线2采用光刻技术、MEMS电化学金属沉积和机械化学抛光CMP等多工艺制成，可以减少传输线的损耗，方便和其它IC集成。采用MEMS技术刻蚀主辐射单元1和寄生天线7下方的衬底，刻蚀主辐射单元1下方的衬底可以降低高介质衬底的介电损耗，同时抑制了表面波的传播。寄生天线7采用类似CPW传输线形式。MEMS电镀工艺形成金属槽3结构，在主辐射单元1和寄生天线7的四周和底部加工形成金属槽3，金属槽3形成反射单元，金属槽3可以控制主辐射单元1和寄生天线7的辐射方向图的方向，提高天线增益，并且金属槽3的结构还可以屏蔽天线对其他射频器件的电磁干扰。采用电镀工艺形成的类CPW的寄生天线7可以耦合主辐射单元1的部分能量，拓宽天线带宽的作用。主辐射单元1上表面沉积金属并且刻蚀形成金属辐射贴片，主辐射单元1、寄生天线7和微同轴线2外表面采用MEMS技术整体加工。寄生天线7由金属沉积而成。

所述主辐射单元1、微同轴线2、金属槽3和寄生天线7均可采用钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝等中的任意一种金属制成。

主辐射单元1和寄生天线7的形状和尺寸设计以及相对位置，可以根据所需工作频率调整。其中，主辐射单元1的尺寸根据设计要求确定，主要影响着天线的谐振频率。金属槽3的深度根据所需要的带宽来决定。寄生天线7能够改善馈电阻抗，寄生天线7的尺寸根据传输线的匹配和寄生频率来决定。金属槽3内的填充介质为空气。

本申请相较于传统的天线有如下优势：

1、通过采用特殊MEMS工艺技术加工的微同轴线2进行馈电，电学方面，减少由于特性阻抗突变而导致过大的反射损耗以及传输线的传输损耗。结构方面，微同轴线2的馈电结构具有可以任意方向折叠，易于毫米波天线与其他集成电路的集成。

2、采用MEMS技术加工的金属槽3结构。通过控制金属槽3的尺寸可以方便控制天线的增益和带宽。并且采用金属槽3可以部分解决天线对其他电路的电磁干扰问题，改善整个电路系统的EMI。

3、采用类似CPW传输线形式的寄生天线7，寄生天线7调整与微同轴线2之间间距，采用耦合的方式，提高了天线的带宽。

4、调整主辐射单元1与金属槽3的底板5的高度，显著提高带宽，提高了天线的辐射效率。

5、采用MEMS微加工技术，与半导体集成电路工艺兼容，方便与其他半导体器件进一步集成，降低成本，提高效率，易于量产。

根据一些实施例，所述同轴线包括外壳10，以及设置于所述外壳10内的内芯11，所述内芯11包括输入部12和支撑部13，所述输入部12的一端用于输入信号，所述输入部12的另一端与所述支撑部13连接，所述支撑部13与所述馈电线8的另一端连接，所述外壳10外侧壁4与所述固定口6连接。

基于上述实施例，内芯11的输入部12的一端接收信号，通过内芯11的支撑部13传输至馈电线8，馈电线8将信号传输至辐射片9。主辐射单元1需要调整高度时，支撑部13可以跟随主辐射单元1需要的高度进行调整尺寸。在一些实施例中，支撑部13与内芯11垂直连接。

根据一些实施例，所述内芯11与所述外壳10之间设置有支撑条14，所述支撑条14两端与所述外壳10内壁连接，所述内芯11设置于所述支撑条14上，所述支撑条14为绝缘材料。

基于上述实施例，内芯11设置于外壳10内，但内芯11与外壳10不接触，内芯11与外壳10之间为空气介质。内芯11的支撑条14采用标准光刻工艺光刻出条状结构或者其他结构以支撑悬空的内芯11。支撑条14由介电常数低的材料制成，并且具有良好的支撑作用。

根据一些实施例，所述主辐射单元1、所述寄生天线7和所述侧壁4均等间隔开设有释放孔15。

基于上述实施例，在天线整体制作的最后，金属槽3内有制作过程留下的填充物，需要剥离液把光刻胶等填充物全部溶解，最后制作完成。而在不影响天线性能的情况下，等间隔的在主辐射单元1、寄生天线7和侧壁4开设释放孔15，以便剥离液与光刻胶充分反应，方便Release，释放孔15的形状包括但不限于矩形、正方形、圆形、菱形等形状，可以根据Release时间决定大小和形状。同时也减轻了天线的重量。采用在主辐射单元1、寄生天线7和侧壁4上开设一些释放孔15，以便剥离液与光刻胶充分反应，方便Release。另外一方面可以在不影响天线性能的基础上，减轻天线的重量，提高结构的稳定性和可靠性。

根据一些实施例，所述寄生天线7呈L型，所述寄生天线7的一端与所述底板5连接，所述寄生天线7的另一端与所述主辐射单元1在同一平面平齐。

基于上述实施例，寄生天线7呈L型，寄生天线7一端与另一端垂直，寄生天线7的另一端与主辐射单元1在同一平面平齐，以便于耦合主辐射单元1的部分能量，拓宽天线带宽。

根据一些实施例，所述主辐射单元1内侧两端均连接有支撑脚16，所述支撑脚16与所述底板5连接。

基于上述实施例，支撑脚16分别与底板5和主辐射单元1内侧垂直连接，一方面可以有效对主辐射单元1的起支撑作用，另外一方面可以将天线工作产生的热量传导走。可以有效提高毫米波微带天线的结构可靠性和散热特性。

根据一些实施例，所述主辐射单元1宽度的计算公式为：

所述主辐射单元1长度的计算公式为：

其中，c表示真空中的光速，f₀表示中心频率，W表示所述主辐射单元1宽度，L表示所述主辐射单元1长度，h表示所述主辐射单元1厚度，ε_R表示介质的相对介电常数，ε_eff表示等效介电常数。

本申请提供了天线采用三维电磁场仿真软件(HFSS)进行仿真。图6为反射式毫米波的回波损耗。图7为反射式毫米波Phi＝0和90的方向图。图8为反射式毫米波Theta＝90的方向图。由图6-图8可以看出：该毫米波天线中心频点为38.5GHz,工作绝对带宽(S11<-10dB)为3GHz，相对带宽为8.3％，比现有文献中的4.1％增加了一倍左右，天线增益可以达到7.5dBi。效率可以达到90％，3dB波束宽度为80度。Theta＝60,不圆度小于2.5dB。具有良好的天线性能。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本公开，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本公开能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种微机电毫米波天线，其特征在于，所述微机电毫米波天线包括：

用于辐射电磁波的主辐射单元，以及用于向所述主辐射单元馈电的微同轴线，所述微同轴线的一端与所述主辐射单元连接；

用于屏蔽电磁干扰的金属槽，所述金属槽包括侧壁，以及与所述侧壁连接的底板，所述侧壁开设有固定口，所述主辐射单元设置于所述金属槽的槽口，所述微同轴线的另一端通过所述固定口向外延伸，所述微同轴线外侧壁与所述固定口连接；

用于拓宽天线带宽的寄生天线，所述寄生天线的一端与所述底板连接，所述寄生天线的另一端延伸至所述金属槽的槽口；

所述主辐射单元包括馈电线和辐射片，所述馈电线的一端与所述辐射片连接，所述馈电线两侧均对称设置有两个所述寄生天线；

所述微同轴线包括外壳，以及设置于所述外壳内的内芯，所述内芯包括输入部和支撑部，所述输入部的一端用于输入信号，所述输入部的另一端与所述支撑部连接，所述支撑部与所述馈电线的另一端连接，所述外壳外侧壁与所述固定口连接。

2.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述内芯与所述外壳之间设置有支撑条，所述支撑条两端与所述外壳内壁连接，所述内芯设置于所述支撑条上，所述支撑条为绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述主辐射单元、所述寄生天线和所述侧壁均等间隔开设有释放孔。

4.根据权利要求3所述的微机电毫米波天线，其特征在于，采用MEMS工艺技术加工制作所述微机电毫米波天线。

5.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述寄生天线呈L型，所述寄生天线的一端与所述底板连接，所述寄生天线的另一端与所述主辐射单元在同一平面平齐。

6.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述主辐射单元内侧两端均连接有支撑脚，所述支撑脚与所述底板连接。

7.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述主辐射单元、微同轴线、金属槽和寄生天线均采用钛金、铬金、铂金、钛铂金、铜或铝制成。

8.根据权利要求1所述的微机电毫米波天线，其特征在于，所述主辐射单元宽度的计算公式为：

所述主辐射单元长度的计算公式为：

其中，c表示真空中的光速，f₀表示中心频率，W表示所述主辐射单元宽度，L表示所述主辐射单元长度，h表示所述主辐射单元厚度，ε_R表示介质的相对介电常数，ε_eff表示等效介电常数。