CN115425394B - 一种基于层叠式结构的带状线以及基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于层叠式结构的带状线以及基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元，该天线利用了层间的缝隙构造带状线为辐射结构馈电，最大化地减少基板层数的同时，提高了辐射效率。该天线结构简单，工艺要求能够得到满足，并且充分利用硅和玻璃不同的材料性能进行设计，在保证天线性能的同时，实现了低剖面、高集成度的技术特点。在实际应用中，由该天线组成的阵面具有良好的扫描能力，为W波段等高频全有源相控阵的实现提供了重要的解决方案，具有极高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于天线与微波技术领域，具体涉及一种基于层叠式结构的带状线以及基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元。
背景技术
随着无线应用的日益增多，传统低频带面临频带资源短缺的问题，因此毫米波，特别是以W波段为代表的高频段正逐渐成为下一代无线电应用的发展重点。毫米波频段具备全天候的工作能力，又较低频段具备更高的分辨率，以及更小的单元尺寸。毫米波相控阵雷达综合了毫米波和相控阵雷达的优点，已成为现代雷达应用发展的重要方向。
传统方式的相控阵天线基于分离器件进行组装集成，在W波段等毫米波频段装配精度要求高，极易造成失配；相对较长的传输距离也会造成较大的传输损耗，因此已经不再适用。近年来发展的层叠式封装天线(AiP)，通过多层封装集成，将芯片与天线模块化集成，不仅极大地缩短了高频信号的传输距离，避免了后期装配工作，提高了天线性能与稳定性，而且模块化设计具备较好的通用性、更低的成本和更好的可维护性，兼顾天线性能、成本及体积，是W波段有源相控阵极好的解决方式。
在W波段等高频段应用时，常见的介质基材多为硅、玻璃等。这是由于在高频应用中，波长较短，因此同样的电长度需要更小的几何长度才能实现。硅和玻璃的加工工艺较高，所能实现的精度超过传统的介质基板及陶瓷基板，非常适合高频段应用。同时，硅和玻璃的介质损耗较低，远超大多数介质材料。因此在毫米波高频段获得了广泛的应用。与传统PCB和陶瓷结构的三维集成不同，多层的硅与玻璃需要通过键合的方式互联，不同基板间存在空气缝隙，这为高频传输线和天线的设计造成了一定的挑战。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种基于层叠式结构的带状线以及基于硅-玻璃异质集成工艺的层叠式阵面天线单元，旨在利用层间的缝隙构造传输线，使用较少的基板层数实现绕线与辐射的功能，同时保持层叠式天线阵面剖面低、集成度高、扫描范围大的技术优势。
本发明提供了一种基于层叠式结构的带状线，利用层间缝隙层，一层介质基板3与空气层构成带状线结构，信号线2位于介质基板3与空气层交界的平面上，地平面9、6分别位于空气层和介质基板3的另一面，两个地平面9、6之间通过金属通孔4、层间键合金球8、带状线同层屏蔽地7实现共地。
本发明提供了一种基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元，其基本原理如下所示：
该天线单元应用于层叠式阵面封装天线(AiP)结构，通过将天线的不同功能分层设计、三维堆叠集成封装，可以实现低损耗、小尺寸、高集成度的模块化功能单元，很好地兼顾天线性能、成本及体积，是一种先进的芯片-天线解决方案。特别是对于损耗较大的毫米波高频段应用，层叠式AiP芯片与辐射单元距离极短，绕线长度远低于传统方案，也不含可能造成额外损耗的连接结构，系统的性能和稳定性都可以得到提高。
基于上述天线架构，本发明提供了一种基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元，天线叠层剖面图如图1所示，天线结构如图2所示。天线包括一层硅基板3和一层玻璃基板 1，两层基板之间通过第二键合金球8进行连接。整个天线的基本形式为缝隙耦合馈电的微带天线，其中辐射贴片10位于玻璃基板1上层，而两层基板之间的空气层与下层硅基板3，在硅通孔4、第二键合金球8、带状线同层屏蔽地7的围合下，构成了一个不平衡带状线，作为天线的馈线结构。由于空气层厚度远低于硅层，因此带状线电场分布主要位于空气层。通过分布在玻璃基板1下层上的耦合缝隙11，所馈入的电信号得以耦合至辐射贴片10，进而辐射至自由空间。而馈线2通过硅通孔TSV垂直互联、以及第一键合金球5，与下层的有源电路(未在图中划出)相连，构成完整的AiP结构。
本发明的有益效果是：
从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种基于层叠式结构的带状线以及基于硅-玻璃异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元，该天线利用了层间的缝隙构造带状线为辐射结构馈电，最大化地减少基板层数的同时，提高了辐射效率。该天线结构简单，工艺要求能够得到满足，并且充分利用硅和玻璃不同的材料性能进行设计，在保证天线性能的同时，实现了低剖面、高集成度的技术特点。在实际应用中，由该天线组成的阵面具有良好的扫描能力，为W波段等高频全有源相控阵的实现提供了重要的解决方案，具有极高的应用价值。
附图说明
图1为本发明所提出的适用于层叠式毫米波阵列的天线单元剖面图
图2为本发明所提出的适用于层叠式毫米波阵列的天线单元示意图
图3为本发明实施例中提供的一种W波段天线单元反射系数仿真结果
图4为本发明实施例中提供的一种W波段天线单元E平面方向图仿真结果
图5为本发明实施例中提供的一种W波段天线单元H平面方向图仿真结果
图6为本发明实施例中提供的一种W波段天线单元进行16×1线阵组阵情况下E面的扫描性能仿真结果
图7为本发明实施例中提供的一种W波段天线单元进行1×16线阵组阵情况下H面的扫描性能仿真结果
1玻璃基板；2带状线馈线中心导体；3硅基板；4硅通孔(TSV)；5第一键合金球； 6带状线下层地平面；7带状线同层屏蔽地；8第二键合金球；9带状线上层地平面；10辐射贴片；11耦合缝隙。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
参照图1和图2，图1为本发明实施例所采用的硬件层叠结构，该结构较为简单，仅包含一层硅基板3和一层玻璃基板1。采用异质三维集成结构的目的在于充分发挥不同材料的优势。硅基板和玻璃基板共同的优势在于加工精度很高、介质损耗相对较小，可以满足毫米波高频段，如W波段等对于加工精度的要求。玻璃基板介电常数较低，与空气间的失配较小，应用于辐射结构，可以提升天线辐射效率。硅基板相对玻璃基板更易打孔，打孔数量和最小孔径都远优于玻璃基板，适用于对屏蔽需求较高的绕线层。图2为本发明提出的天线结构，其中所示结构通过硅通孔(TSV)4构成的类同轴结构，以及键合结构(本实施例中为第一键合金球5)与下层有源电路相连。由空气层和硅基板3共同构成的带状线作为天线的馈线，其中图2中示例为一段直线，在实际设计中，考虑到垂直互联的位置以及各通道等相馈电的需求，馈线可以有一定的弯曲。馈线周围，特别是末端带有屏蔽结构，由硅通孔(TSV)4和第二键合金球8共同构成，用以实现上下层的共地以及相邻单元间的屏蔽。天线的辐射贴片10位于玻璃基板的上层，馈线与辐射贴片间通过缝隙耦合。
本发明的性能特征可以通过数值仿真说明。
图3所示为天线的反射系数，可以看出该实施例的中心频率约为94GHz，通带范围，带宽1.7GHz。图4和图5为天线单元的辐射性能，可以看出天线的最大辐射方向位于天线法向，最大增益为7.8dBi，天线波瓣较宽，说明其组阵后有达到较大扫描范围的潜力。图6和图7 分别为对单元进行16×1线阵和1×16线阵组阵情况下对天线的扫描性能进行的仿真验证，结果表明，本实施例中的W波段天线单元在组阵时具备±60°的扫描能力。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种基于层叠式结构的带状线，其特征在于，带状线包括：带状线上层地平面（9）、空气缝隙层、硅基板（3）、带状线下层地平面（6）、馈线（2）、硅通孔（4）、带状线同层屏蔽地（7）、第二键合金球（8）；
带状线从上到下依次为：带状线上层地平面（9）、空气缝隙层、硅基板（3）、带状线下层地平面（6）；
带状线上层地平面（9）位于空气缝隙层的上方；带状线下层地平面（6）位于硅基板（3）的下方；馈线（2）位于硅基板（3）与空气缝隙层交界的平面上；
硅通孔（4）设置在硅基板（3）上并贯穿硅基板（3）上下表面；带状线同层屏蔽地（7）设置在硅基板（3）上表面；第二键合金球（8）设置在带状线上层地平面（9）和带状线同层屏蔽地（7）之间；
利用层间缝隙层，硅基板（3）与空气缝隙层构成带状线结构；带状线上层地平面（9）和带状线下层地平面（6）之间通过硅通孔（4）、第二键合金球（8）实现共地。
2.一种基于权利要求1所述的带状线实现的基于异质基材三维堆叠的层叠式阵面天线单元，其特征在于，该天线单元包括辐射贴片（10）、玻璃基板（1）、基于层叠式结构的带状线、第一键合金属球（5）、耦合缝隙（11）；
天线单元从上到下依次为：辐射贴片（10）、玻璃基板（1）、带状线、第一键合金属球（5）；
辐射贴片（10）位于玻璃基板（1）上方，玻璃基板（1）下层上设置耦合缝隙（11）；
带状线中的硅基板（3）下方设置第一键合金属球（5）；
两层基板之间的空气缝隙层与下层硅基板（3），在硅通孔、第二键合金球（8）的围合下，构成了一个不平衡带状线，作为天线的馈线结构；
通过分布在玻璃基板下层上的耦合缝隙，所馈入的电信号得以耦合至辐射贴片，进而辐射至自由空间；
馈线通过硅通孔垂直互联、以及第一键合金球，与下层的有源电路相连，构成完整的AiP结构。
3.根据权利要求2所述的天线单元，其特征在于，整个天线的基本形式为缝隙耦合馈电的微带天线。
4.根据权利要求2所述的天线单元，其特征在于，由于空气缝隙层厚度远低于硅层，因此带状线电场分布主要位于空气缝隙层。
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