CN111541006A - 一种玻璃基贴片天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明针对微***高集成相控阵对宽带宽角天线单元的需求，以及目前天线单元难以与半导体有源电路集成的缺点和问题，公开了一种低剖面宽带宽角扫描玻璃基片式天线单元，该天线单元结构简单、剖面低、体积小，有效改善宽角扫描特性，并适合与硅基半导体有源电路集成实现模块化设计。

Description

一种玻璃基贴片天线单元
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种天线单元技术。
背景技术
高集成是相控阵天线未来的发展趋势，随着微***技术的发展，其已成为提高相控阵天线的有效手段。特别是对于Ka及以上频段的相控阵天线，毫米波波长短导致单元间距很小，有源电路可用有效剖面面积受到极大的限制。采用传统MMIC套片制造的TR组件尺寸上远远超过单元间距，已无法满足毫米波满阵有源相控阵天线的研制需求。随着工作频率提高，波长减小，单元间距变得越来越小，组件可用面积也越来越小。达到一定工作频率后，微波电路平面集成方式已不能满足高性能相控阵天线的设计需求。
半导体晶圆级工艺具有高一致性、大规模生产低成本的特点，将其引入到毫米波射频前端的设计中实现三维高度集成，可有效解决传统套片技术的上述问题。采用半导体晶圆级工艺实现单片多功能射频芯片可大幅减少器件数量，再通过硅晶圆重布线将数个多功能芯片集成为射频前端。通过晶圆级三维集成方式，可实现低成本、高一致性、轻量化、高可靠性、大规模制造的晶圆级射频，满足远程毫米波雷达的使用要求。向三维集成技术发展，充分利用阵面空间资源，适应高频段相控阵发展的需求。
片式天线焊接在硅基集成的有源电路上，其热胀冷缩系数与硅材料相近，且重量轻，易于实现垂直互联的天线。常用的陶瓷、微波板材、金属等材料制成的天线，均无法与晶圆直接键合集成，需要合适的材料及合适的单元设计来实现宽带性能及集成设计的要求。
天线单元必须易于和晶圆级射频有源电路部分集成，保证较好的集成性能、热稳定性及机械稳定性，同时天线必须与半导体电路同等级的加工精度以便与其集成。采用石英玻璃片式单元，易于与一体化硅基集成有源电路部分的良好互联，满足毫米波单元高精度加工需求以及热膨胀系数匹配等因素，为辐射单元合适的选择。石英玻璃天线为多层玻璃电路，通过多层玻璃金属键合、TGV等关键工艺实现。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种玻璃基贴片天线单元，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
玻璃基贴片天线单元的结构包括辐射贴片层、微带缝隙激励层和绕线层、BGA空腔层。
辐射贴片层的结构包括辐射贴片、玻璃金属化过孔和围框组成的屏蔽结构、玻璃釉材质的阻焊层，金属化围框位于玻璃板正反两面。
微带缝隙激励层的结构包括玻璃釉材质的阻焊层、玻璃金属化过孔和围框组成的屏蔽结构、馈电微带线、辐射缝隙，金属化围框位于玻璃板正反两面。
BGA层的结构包括数个锡铅球，围成耦合腔体结构，每条边分布若干个锡铅球，焊接时控制压力与温度，以调整BGA层的层高。
多层玻璃电路通过金属键合组装，阻焊层开圆形孔，种植锡铅球，阻止锡铅球融化流淌，通过电磁仿真进行优化。
为满足天线的宽带和宽角扫描性能，根据中心频率对应的工作波长λ，采用电磁场数值算法，结合仿真技术，通过优化设计与性能比对，改善天线辐射特性。
固定天线单元的间距，调整辐射贴片的正方形边长、辐射缝隙的宽度和长度以及两端匹配的缝隙长度、馈电微带的长度和线宽、耦合腔体的高度，实现17.1％的相对带宽和30°的宽角扫描。
辐射贴片层选用的玻璃介电常数越低越好，厚度为0.025λ～0.1λ，越薄越好，辐射贴片的尺寸为0.5λ左右。
BGA空腔层的高度对天线的性能影响较大，要精确的控制空腔层高，为0.04λ～0.06λ，误差小于±0.02mm。
微带缝隙激励层和绕线层采用相同厚度的玻璃片，馈电微带线的输入端阻抗为50Ω，由此计算得到线宽，通过电磁仿真得到其它参数，辐射缝隙为十字交叉工字型，长度为0.15λ～0.25λ，宽度为0.0075λ～0.015λ，两端匹配的缝隙长度为主缝长度的1/3～2/3。
本发明结构简单、成本低、重量轻，宽带宽角扫描特性好；加工精度高、平面度高，可实现高精度、高一致性天线阵列；适合与硅基集成的有源电路在晶圆级高精度键合互联，实现晶圆级射频前端高效率生产；剖面高度降低，实现了天线小型化，天线整体厚度仅为1.6mm；通过BGA层8个锡铅球组成腔体结构，再通过焊接工艺将各部分集成在一起，实现辐射缝隙和贴片的耦合，以及相邻单元间有效隔离，使得天线与空间良好匹配过渡，并消除宽带宽角阻抗匹配中的奇异点；天线单元的全空域工作带宽大于6GHz，具备方位±30度、俯仰±30度的扫描范围能力；结构简单、成本低，天线单元馈电部分和辐射贴片部分采用多层玻璃片制成，实现多个单元组成的阵列；适合模块化设计，相比于槽线天线需要振子臂连续才能保证宽带宽角性能，本天线单元间无需连续，由于采用平面微波电路，材料热变特性、加工精度及平面度与硅相当，适合同硅基有源电路集成设计实现模块化阵面***架构。
附图说明
图1是贴片天线单元的安装应用，图2是贴片天线单元的侧视结构，图3是贴片天线单元的立体结构，图4是贴片层透视，图5是激励层透视，图6是端口驻波曲线图。
附图标记：1-辐射贴片，2-贴片层过孔，3-贴片层围框，4-贴片层，5-激励层上层，6- 锡铅球，7-激励层下层，8-绕线层，9-贴片层阻焊层，10-激励层阻焊层，11-激励层过孔，12-馈电微带线，13-辐射缝隙，14-激励层围框。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
玻璃基贴片天线单元安装在硝基射频前端的有源电路上，如图1所示，形成硝基AIP，结构如图2所示，包括辐射贴片层、微带缝隙激励层和绕线层、BGA空腔层。
辐射贴片层的结构如图4所示，包括辐射贴片、玻璃金属化过孔和围框组成的屏蔽结构、玻璃釉材质的阻焊层，金属化围框位于玻璃板正反两面。
微带缝隙激励层包括上下两层，结构如图5所示，包括玻璃釉材质的阻焊层、玻璃金属化过孔和围框组成的屏蔽结构、馈电微带线、辐射缝隙，金属化围框位于玻璃板正反两面。
BGA层的结构如图3所示，包括8个锡铅球，围成一个四边形的耦合腔体结构，每条边分布3个锡铅球，焊接时控制压力与温度，以调整BGA层的层高。
多层玻璃电路通过金属键合组装，阻焊层开圆形孔，种植锡铅球，阻止锡铅球融化流淌，通过电磁仿真进行优化。
为满足天线的宽带和宽角扫描性能，根据中心频率对应的工作波长λ，采用电磁场数值算法，结合仿真技术，通过优化设计与性能比对，改善天线辐射特性。
固定天线单元的间距，调整辐射贴片的正方形边长、辐射缝隙的宽度和长度以及两端匹配的缝隙长度、馈电微带的长度和线宽、耦合腔体的高度，实现17.1％的相对带宽和30°的宽角扫描。
辐射贴片层选用的玻璃介电常数越低越好，厚度为0.025λ～0.1λ，越薄越好，辐射贴片的尺寸为0.5λ左右。
BGA空腔层的高度对天线的性能影响较大，要精确的控制空腔层高，为0.04λ～0.06λ，误差小于±0.02mm。
微带缝隙激励层和绕线层采用相同厚度的玻璃片，馈电微带线的输入端阻抗为50Ω，由此计算得到线宽，通过电磁仿真得到其它参数，辐射缝隙为十字交叉工字型，长度为0.15λ～0.25λ，宽度为0.0075λ～0.015λ，两端匹配的缝隙长度为主缝长度的1/3～2/3。
天线单元的间距为5.1mm×5.2mm，排列成矩形，极化方向沿短边。
辐射贴片层玻璃的厚度为0.2mm，介电常数为5.1，辐射贴片的尺寸为2.0mm×3.0mm。
BGA空腔层的高度为0.4mm，锡铅球的中心间距为2mm，采用直径为0.6mm的焊球。
微带缝隙激励层和绕线层采用厚度为0.33mm的石英玻璃片，介电常数为3.82，辐射缝隙的宽度为0.24mm，长度为1.4mm，匹配缝隙的长度为1.2mm。
辐射层金属化过孔的直径为0.1mm，微带缝隙激励层的金属化过孔直径为0.2mm。
根据上述材质选取和尺寸设置，设计得到的天线单元，实现的性能指标包括：工作频率为32～38GHz，相对带宽为17.1％，扫描范围为E、H面±30°，法向驻波小于2.3，扫描空域驻波小于2.7。
上述设计得到的天线单元，天线端口输入的电磁波通过微带线激励工字型辐射缝隙，在缝隙上产生谐振，形成电磁波，通过BGA耦合腔体激励矩形贴片，产生谐振感应电流，向空间辐射电磁能量。
端口宽频带不同扫描方向的驻波曲线如图6所示，横坐标为工作频率，纵坐标为驻波，在E、H面±30度的扫描范围内，有源驻波小于2.8，具备±30度的扫描范围能力。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种玻璃基贴片天线单元，其特征在于，包括：辐射贴片层、BGA空腔层、微带缝隙激励层和绕线层，依次层压形成整体；辐射贴片层、微带缝隙激励层和绕线层，采用低剖面石英玻璃材质作为基底；辐射贴片层包括辐射贴片、玻璃金属化过孔和围框、阻焊层；微带缝隙激励层分为上下两层，包括馈电微带线、辐射缝隙、玻璃金属化过孔和围框、阻焊层；BGA空腔层包括数个锡铅球，形成耦合腔体结构；各层玻璃电路通过金属键合组装；信号在辐射缝隙产生谐振，形成电磁波，通过BGA耦合腔体激励辐射贴片，产生谐振感应电流，向空间辐射电磁能量。
2.根据权利要求1所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述玻璃金属化围框，位于玻璃的正反两面，和玻璃金属化过孔形成屏蔽结构。
3.根据权利要求1所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述阻焊层采用玻璃釉材质，开圆形孔，种植锡铅球，阻止锡铅球融化流淌。
4.根据权利要求1或3所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述锡铅球有8个，形成四边形的耦合腔体结构，每条边分布3个锡铅球。
5.根据权利要求4所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述BGA空腔层的层高通过焊接时的压力和温度调整。
6.根据权利要求1所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述天线单元的间距固定，根据中心频率对应的工作波长λ，采用电磁场数值算法，结合仿真技术，调整辐射贴片的正方形边长、辐射缝隙的宽度和长度以及两端匹配的缝隙长度、馈电微带的长度和线宽、耦合腔体的高度，实现17.1％的相对带宽和30°的宽角扫描。
7.根据权利要求6所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述辐射贴片层、微带缝隙激励层和绕线层的玻璃厚度为0.025λ至0.1λ，辐射贴片的边长为0.5λ；所述BGA空腔层的高度为0.04λ至0.06λ，误差小于±0.02mm；馈电微带线的输入端阻抗为50Ω，辐射缝隙为十字交叉工字型，长度为0.15λ～0.25λ，宽度为0.0075λ～0.015λ，两端匹配的缝隙长度为主缝长度的1/3～2/3。
8.根据权利要求7所述的玻璃基贴片天线单元，其特征在于，所述天线单元的间距为
5.1mm×5.2mm，排列成矩形，极化方向沿短边；辐射贴片层的玻璃厚度为0.2mm，介电常数为5.1，辐射贴片的尺寸为2.0mm×3.0mm；BGA空腔层的高度为0.4mm，锡铅球的中心间距为2mm，采用直径为0.6mm的焊球；微带缝隙激励层和绕线层采用厚度为0.33mm的石英玻璃片，介电常数为3.82；辐射缝隙的宽度为0.24mm，长度为1.4mm，匹配缝隙的长度为1.2mm；辐射贴片层的金属化过孔直径为0.1mm，微带缝隙激励层的金属化过孔直径为0.2mm。
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