CN115732900A - 波束角度可调的硅基介质谐振天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波束角度可调的硅基介质谐振天线，包括波束宽度调节结构、天线基板和介质谐振器、激励天线以及凸点焊球；多层天线基板和介质谐振器自上而下依次设置，且中间形成有空气腔，空气腔的底部设置有激励天线；位于最顶层的天线基板和介质谐振器顶部设置有波束宽度调节结构；位于最底层的天线基板和介质谐振器中部设置有硅通孔，凸点焊球设置在硅通孔的底端。本发明通过使用高阻硅作为天线的介质，可大幅减小天线的尺寸以及提高天线的辐射效率；通过引入空气腔结构，通过顶层波束宽度调节结构进行调节，从而可根据使用更改天线应用频率，馈电方式可根据使用情况更改优化，可以与芯片堆叠，实现三维异质异构高密度集成。

Description

波束角度可调的硅基介质谐振天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体地，涉及一种波束角度可调的硅基介质谐振天线。

背景技术

电子信息系统正朝着高密度集成综合化方向发展，要求高度信息化和智能化，具有更高的应用效能。毫米波段具有丰富的频谱和带宽资源，相应地，毫米波天线需要大带宽，高增益。毫米波频段的天线和元器件尺寸一般也更小，在相同的空间里可以容纳更多的有源/无源器件和天线单元，同时对加工精度要求也比较高。

现有公开号为CN106299645A的中国专利，其公开了一种基于硅工艺的片上天线，包括介质谐振块、金属贴片、二氧化硅层、金属地和硅基底层，所述金属地覆盖在硅基底层上，二氧化硅层覆盖在金属地上，二氧化硅层上表面上设有金属贴片，所述金属贴片的末段是圆形金属片，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

发明人认为传统的毫米波收发前端采用分立模块搭建的方案，具有体积大，链路损耗大等缺点，通过使用硅基封装天线，可以缩短芯片与天线的互连距离，同时在z轴方向实现射频电路的三维高密度堆叠。因此，需要提供一种能够可根据使用更改天线应用频率，结构参数可调，馈电方式可根据使用情况更改优化，可以与芯片堆叠，实现三维异质异构高密度集成的波束角度可调的硅基介质谐振天线。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种波束角度可调的硅基介质谐振天线。

根据本发明提供的一种波束角度可调的硅基介质谐振天线,包括：波束宽度调节结构、天线基板和介质谐振器、激励天线以及凸点焊球；多层所述天线基板和介质谐振器自上而下依次设置，且中间形成有空气腔，所述空气腔的底部设置有所述激励天线；位于最顶层的所述天线基板和介质谐振器顶部设置有所述波束宽度调节结构；位于最底层的所述天线基板和介质谐振器中部设置有硅通孔，所述凸点焊球设置在所述硅通孔的底端。

优选地，多层所述天线基板和介质谐振器包括相同或不同厚度的硅晶圆。

优选地，多层所述天线基板和介质谐振器、所述波束宽度调节结构、所述硅通孔以及所述凸点焊球同中心轴设置。

优选地，所述波束宽度调节结构包括十字形金属贴片。

优选地，所述激励天线包括阶梯状的贴片天线。

优选地，多层所述天线基板和介质谐振器通过键合结构连接。

优选地，所述波束宽度调节结构和所述激励天线均通过电镀工艺制成。

优选地，所述空气腔通过MEMS刻蚀工艺在所述天线基板和介质谐振器上加工制成。

优选地，所述硅通孔采用大马士革硅通孔铜工艺，所述硅通孔内填充有铜。

优选地，所述凸点焊球的制作工艺包括电镀、植球。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过使用高阻硅作为天线的介质，利用其高介电常数和较低的介质损耗，可大幅减小天线的尺寸以及提高天线的辐射效率；通过引入空气腔结构，拓展了天线的带宽并提高了天线的增益；通过顶层波束宽度调节结构进行调节天线的波束宽度，从而可根据使用更改天线应用频率，馈电方式可根据使用情况更改优化，可以与芯片堆叠，实现三维异质异构高密度集成。

2、本发明通过天线基板和介质谐振器采用高电阻率的硅片，通过硅基MEMS工艺进行加工制作，有助于实现三维复杂结构的高精度加工，确保了天线的可靠性和高性能，天线具有较宽的增益和阻抗带宽，同时实现了小尺寸、低剖面的效果。

3、本发明通过引入空气腔结构，实现了宽频带和高增益的效果，空气腔体结构的尺寸连续可调，适用于不同频率；通过采用硅通孔工艺进行馈电，通过高度集成的三维立体垂直硅通孔，可实现射频信号的垂直传输，有利于实现系统的三维堆叠集成；通过凸点焊球与芯片相连接，减小芯片到天线的电气互连距离，具有重量轻、集成度较高等技术优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现波束角度可调的硅基介质谐振天线的剖面图；

图2为本发明主要体现波束角度可调的硅基介质谐振天线的结构示意图；

图3为本发明主要体现波束宽度调节结构的示意图；

图4为本发明主要体现激励天线的示意图；

图5为本发明主要体现案例天线带宽性能的结果图；

图6为本发明主要体现案例天线增益性能的结果图；

图7为本发明主要体现不同空气腔高度效果的示意图；

图8为本发明主要体现不同空气腔高度效果的示意图；

图9为本发明主要体现波束宽度调节功能的效果示意图。

图中所示：

波束宽度调节结构1 天线基板和介质谐振器2

空气腔3 键合结构4

激励天线5 硅通孔6

凸点焊球7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-2所示，根据本发明提供的一种波束角度可调的硅基介质谐振天线，包括：波束宽度调节结构1、天线基板和介质谐振器2、激励天线5以及凸点焊球7；多层天线基板和介质谐振器2自上而下依次设置，且中间形成有空气腔3，空气腔3的底部设置有激励天线5；位于最顶层的天线基板和介质谐振器2顶部设置有波束宽度调节结构1；位于最底层的天线基板和介质谐振器2中部设置有硅通孔6，凸点焊球7设置在硅通孔6的底端。

多层天线基板和介质谐振器2包括相同或不同厚度的高电阻率硅衬底。一般的，波束角度可调的硅基介质谐振天线包括两层或者三层天线基板和介质谐振器2，每层通过单独的工艺加工后，可以使用圆片级键合工艺使不同层键合在一起。本申请的波束角度可调的硅基介质谐振天线采用高电阻率硅晶圆作为衬底，在顶部加载波束宽度调节结构1来调节波束宽度。在多层天线基板和介质谐振器2之间插入空气腔3结构，拓展了天线的带宽，提高了天线的增益。通过硅通孔6的方式对激励天线5馈电，硅通孔6可以通过凸点焊球7与芯片垂直相连，天线所有结构均采用标准的硅工艺制作。本实施例中，多层天线基板和介质谐振器2、波束宽度调节结构1、硅通孔6以及凸点焊球7同中心轴设置，实际使用时，可根据实际情况调整位置。

天线基板和介质谐振器2采用高电阻率的硅片，采用MEMS工艺进行加工制作，加工精度高，天线具有较宽的增益和阻抗带宽，同时实现了小尺寸、低剖面的效果。

多层天线基板和介质谐振器2通过键合结构4连接，键合结构4也是对齐标记，其键合方式有很多，包括晶圆键合，手工键合等等。本实施例以两层天线基板和介质谐振器2为例，采用高阻硅设计的天线基板和介质谐振器2，中间通过金属键合方式实现一体化。

空气腔3通过MEMS刻蚀工艺在天线基板和介质谐振器2上加工制成。波束角度可调的硅基介质谐振天线通过采用空气腔3，引入空气层，增加了不连续性，从而提高天线的增益和拓展带宽。空气腔3通过干法刻蚀工艺实现，高度和大小都连续可调。提高空气腔3的高度可以拓展天线的带宽和提高天线的增益。实际高度可以通干法刻蚀工艺来控制，空气腔3高度高了，可以提高带宽和增益，但同时也会增加剖面高度，所以需要根据要求情况进行调节。

本实施例是两层键合的，可以在天线基板和介质谐振器2上干法刻蚀形成。如果是三层键合的，可以把中间层掏空一部分，形成空气腔3。如果频率太低，天线对应的厚度过高，可以使用更多层键合到一起。通过在天线中间引入空气腔3结构，实现了宽频带和高增益的效果，空气腔3结构的尺寸连续可调，适用于不同频率。

如图3所示，波束宽度调节结构1包括十字形金属贴片，用来调节天线的波束宽度，实现阵列天线的较宽的扫描范围。通过调节十字形金属贴片的尺寸参数，即十字形结构的长度，来调节天线的波束宽度，以获取阵列天线的更宽的波束扫描范围。十字形可以分别调整天线E面(电面)和H面(磁面)的波束宽度。本实施例中波束宽度调节结构1位于正中心，当其不在正中心时，也会影响天线的波束宽度，也会改变波束指向，可根据实际情况进行调整。相比于其它方法如增加三维立体金属围栏，天线两侧增加高介电常数的介质块等，本方法成本低，易实现，并且波束宽度连续可调。

如图4所示，激励天线5包括阶梯状的贴片天线，用来拓展天线的阻抗带宽，每个阶梯状的长宽用来调节天线的不同频率处的阻抗匹配。

波束宽度调节结构1和激励天线5均通过电镀工艺制成，具有较小的加工误差。

硅通孔6采用大马士革硅通孔铜工艺，硅通孔6的孔内填充有致密的铜，硅通孔6的深宽比具有连续可调性。通过三维立体垂直硅通孔6进行射频信号的垂直传输。采用硅通孔6工艺进行馈电，通过高度集成的三维立体垂直硅通孔6，可实现射频信号的垂直传输、有利于实现系统的三维堆叠集成。

与芯片互连的凸点焊球7的制作工艺包括但不限于电镀、植球。芯片通过凸点焊球7连接硅通孔6，信号传递到激励天线5，接着通过天线基板和介质谐振器2辐射到空气中。通过凸点焊球7与芯片相连接，减小芯片到天线的电气互连距离，具有重量轻、集成度较高等技术优势。

天线基板和介质谐振器2采用高电阻率的硅片，使用MEMS工艺进行加工实现了天线的高精度加工和天线的小型化。通过引入空气腔3，提高了天线的增益并且拓展了天线的带宽。在天线顶层设计波束宽度调节结构1，用来调节天线的波束宽度，实现阵列的宽波束角扫描。激励天线5通过硅通孔6进行馈电，进一步芯片通过凸点焊球7与天线的硅通孔6实现电气相连，射频电路的三维高密度堆叠。

本申请采用硅基MEMS工艺可以实现三维复杂结构的高精度加工，确保了天线的可靠性和高性能。本申请使用高阻硅作为天线的介质，利用其高介电常数和较低的介质损耗，可大幅减小天线的尺寸以及提高天线的辐射效率。通过引入空气腔3结构，拓展了天线的带宽并提高了天线的增益。天线的波束宽度还可以根据使用要求通过顶层波束宽度调节结构1进行调节设计。

本申请的天线应用频率可根据使用更改，结构参数可调，馈电方式可根据使用情况更改优化，可以与芯片堆叠，实现三维异质异构高密度集成。

如图5-8所示，本申请提供了一个ka波段具体的应用实例，天线的阻抗带宽和1dB增益带宽均大于35％，天线的波束宽度可以根据需求进行调节。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，包括：波束宽度调节结构(1)、天线基板和介质谐振器(2)、激励天线(5)以及凸点焊球(7)；

多层所述天线基板和介质谐振器(2)自上而下依次设置，且中间形成有空气腔(3)，所述空气腔(3)的底部设置有所述激励天线(5)；

位于最顶层的所述天线基板和介质谐振器(2)顶部设置有所述波束宽度调节结构(1)；

位于最底层的所述天线基板和介质谐振器(2)中部设置有硅通孔(6)，所述凸点焊球(7)设置在所述硅通孔(6)的底端。

2.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，多层所述天线基板和介质谐振器(2)包括相同或不同厚度的硅晶圆。

3.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，多层所述天线基板和介质谐振器(2)、所述波束宽度调节结构(1)、所述硅通孔(6)以及所述凸点焊球(7)同中心轴设置。

4.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述波束宽度调节结构(1)包括十字形金属贴片。

5.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述激励天线(5)包括阶梯状的贴片天线。

6.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，多层所述天线基板和介质谐振器(2)通过键合结构(4)连接。

7.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述波束宽度调节结构(1)和所述激励天线(5)均通过电镀工艺制成。

8.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述空气腔(3)通过MEMS刻蚀工艺在所述天线基板和介质谐振器(2)上加工制成。

9.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述硅通孔(6)采用大马士革硅通孔铜工艺，所述硅通孔(6)内填充有铜。

10.如权利要求1所述的波束角度可调的硅基介质谐振天线，其特征在于，所述凸点焊球(7)的制作工艺包括电镀、植球。

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