CN112290206A - 一种硅基宽带宽角扫描天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基宽带宽角扫描天线单元，从上至下由矩形贴片1、玻璃基板2、缝隙耦合馈电层3、硅基基片集成波导背腔4和阻抗变换层6组成，所述硅基基片集成波导背腔4中设置有贯穿其上下表面的硅基金属化屏蔽过孔5，所述硅基金属化屏蔽过孔5将连接缝隙耦合馈电层3和阻抗变换层6进行连接，所述阻抗变换层6为共地共面波导结构，其中间条状延伸部分为微带馈电传输线7。本发明公开的硅基宽带宽角扫描天线单元采用标准化的玻璃基板、硅基板以及标准化的布线、过孔和铜锡键合工艺实现，降低了工艺复杂度和加工成本，整个结构具有低剖面、高可靠性、工艺简单成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，尤其涉及一种硅基宽带宽角扫描天线单元。
背景技术
随着6GHz以下无线通信频段资源的日益枯竭，毫米波频段成为无线通信发展的必然趋势。毫米波频谱资源包括30GHz至300GHz频段，根据大气衰减可以分为“大气窗口”和“非大气窗口”，分别对应衰减的极小值和极大值频段范围。除了更适于远距离无线传输的“大气窗口”频段，“非大气窗口”频段因其保密性和频率复用的优势，也得到了广泛的关注和研究。“非大气窗口”中的60GHz(V波段)附近频谱资源最受关注，各国相继开放了60GHz附近免许可的连续频谱资源。
由于60GHz工作频段受到大气衰减影响无法实现长距离通信，因此主要定位用于满足短距离互联应用中的高速传输和雷达探测需求，包含无线高清多媒体传输、智能家居物联、手势雷达等应用。虽然传输距离受限，但是V波段中免许可的至少5GHz连续带宽、超过2GHz单信道带宽、远大于其他短距离通信频段的功率限制，使得其可以轻松实现吉比特的高速传输速率并适用于低时延应用场景。家用电子设备的无线组网、多媒体文件的共享互联、高精度的手势控制等潜在应用市场更是为V波段的短距离通信和探测技术研发描述了丰富的应用场景。
部分V波段雷达或通信***也在多天线的基础上也开始采用了相控阵体制，用以实现波束赋形，以改善无线传输性能，减少用户间干扰。60GHz频段对应的工作波长和相应的电路尺寸较小，对于加工精度要求较高，尤其是在相控阵体制的应用，辐射单元等电路尺寸需要满足半波长限制，对于单元尺寸、加工精度和加工成本来说带来了极大的挑战。与此同时，辐射单元的工作频段、扫描角度、剖面高度和集成难度也是设计和实现过程中需要重点考虑的问题。
传统毫米波低剖面相控阵天线单元可以采用印刷形式实现。在Ka波段商用的微波板材仍然能够提供很好的射频性能和加工精度。但是到了V波段，天线单元的尺寸缩小到2mm左右，印刷形式的天线单元已经无法满足天线加工的精度要求，因此寻求低成本、高精度、高集成度的工艺就变得尤为重要。传统半导体领域经常采用硅基基板实现电路封装和集成，具有极高加工精度和标准化的工艺，非常适用于V波段天线单元的加工。但是传统硅基工艺介电常数较高，损耗大，全硅基集成的天线单元辐射效率将无法满足一般应用需求。如何在硅基工艺的基础上，结合材料、工艺和设计，实现结构简单的低成本、低剖面、大带宽、大扫描角度的天线单元一直是高频段毫米波天线单元的实现难题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种硅基宽带宽角扫描天线单元，从上至下由矩形贴片1、玻璃基板2、缝隙耦合馈电层3、硅基基片集成波导背腔4和阻抗变换层6组成，所述硅基基片集成波导背腔4中设置有贯穿其上下表面的硅基金属化屏蔽过孔5，所述硅基金属化屏蔽过孔5将连接缝隙耦合馈电层3和阻抗变换层6进行连接，所述阻抗变换层6为共地共面波导结构，其中间条状延伸部分为微带馈电传输线7。
进一步地，所述缝隙耦合馈电层3设置有矩形镂空部分，所述矩形镂空部分被矩形贴片1在垂直方向上覆盖。
进一步地，所述硅基金属化屏蔽过孔5为金属制成的空心或实心柱体。
进一步地，所述玻璃基板2和硅基基片集成波导背腔4的介电常数分别为3.82和11.9。
进一步地，所述天线单元的剖面高度为0.48mm。
本发明与现有技术相比，具备以下优点：
(1)扫描性能优。本发明的天线单元充分结合硅基和玻璃基介质特性，采用玻璃实现低损耗高效辐射的矩形贴片，采用高阻硅基介质实现紧凑馈电电路，能够有效拓展天线带宽，提升辐射效率，减小转接和单元尺寸。
(2)天线剖面低。本发明的天线单元采用硅基背腔缝隙耦合方式对玻璃贴片单元馈电，并通过转接结构过度至微带接口，提升天线单元在宽角宽带扫描时的阻抗匹配性能的同时，实现了天线单元的一体化低剖面集成。
(3)天线成本低。本发明的天线单元采用单层玻璃基板和硅基板实现，通过标准化的布线和过孔工艺分别实现硅基馈电层和玻璃辐射层。馈电层和辐射层之间通过铜锡键合工艺实现互连集成，并采用缝隙耦合馈电方式降低集成精度要求，降低了工艺复杂度，进而降低了加工成本。
附图说明
图1为本发明实施例的天线单元的三维立体图。
图2为本发明实施例的天线单元的立体分解图。
图3为本发明实施例的天线单元的侧视图。
图4为本发明实施例的天线单元的缝隙耦合层二维平面图。
图5为本发明实施例的天线单元的馈电及背腔层二维平面图。
图6为本发明实施例的天线单元的周期边界H面扫描驻波。
图7为本发明实施例的天线单元的周期边界E面扫描驻波。
图中标号所代表的含义为：
矩形贴片1、玻璃基板2、缝隙耦合馈电层3、硅基基片集成波导背腔4、硅基金属化屏蔽过孔5、阻抗变换层6、微带馈电传输线7。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细描述。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面、附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解、上面介绍的多种构思和实施例、以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施、这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外、本发明公开的一些方面可以单独使用、或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例一
结合图1-图5，本实施例的硅基宽带宽角扫描天线单元从上至下由矩形贴片1、玻璃基板2、缝隙耦合馈电层3、硅基基片集成波导背腔4和阻抗变换层6组成，所述缝隙耦合馈电层3设置有矩形镂空部分，所述矩形镂空部分被矩形贴片1在垂直方向上覆盖；所述硅基基片集成波导背腔4中设置有贯穿其上下表面的硅基金属化屏蔽过孔5，所述硅基金属化屏蔽过孔5为金属制成的空心或实心柱体；所述硅基金属化屏蔽过孔5将连接缝隙耦合馈电层3和阻抗变换层6进行连接，所述阻抗变换层6为共地共面波导结构，其中间条状延伸部分为微带馈电传输线7。本实施例采用微带传输线形式馈电，激励信号经过阻抗变换层6馈入硅基基片集成波导背腔4后，通过缝隙耦合馈电层3对玻璃基板2上的矩形贴片1进行馈电，最后辐射到自由空间。玻璃基板2和硅基基片集成波导背腔4间采用标准化的铜锡键合方式互连，通过缝隙耦合馈电层3保证射频信号的互连。
本发明实施例的硅基宽带宽角扫描天线单元采用标准化的玻璃基板、硅基板以及标准化的布线、过孔和铜锡键合工艺实现。
天线单元的整体尺寸为2.24mm×2.24mm×0.48mm；玻璃基板2和硅基基片集成波导背腔4的高度分别为0.15mm和0.3mm，介电常数分别为3.82和11.9；硅基金属化屏蔽过孔5的底面边长均为0.05mm；矩形贴片1尺寸为1.78mm×1.05mm，矩形贴片1的中心偏离天线单元中心0.41mm；缝隙耦合馈电层3尺寸为1.05mm×0.27mm，缝隙耦合馈电层3中心偏离天线单元中心0.41mm；硅基基片集成波导背腔4尺寸为2.1mm×1.08mm。
为满足V波段宽带宽角扫描的指标要求，可以利用全波电磁仿真软件，对天线单元的结构尺寸进行优化设计。在优化设计过程中，可以调节矩形贴片、耦合缝隙、硅基基片集成波导背腔以及阻抗变换的尺寸和位置，实现最优性能的天线单元，满足有源相控阵指标要求。
V波段硅基宽带宽角扫描天线单元的E面和H面扫描驻波指标见图6～图7，其在57GHz～65GHz的工作频段、±45°的扫描范围内驻波≤2.8。
本实施例的整个天线单元采用标准化的玻璃基板、硅基板以及标准化的布线、过孔和铜锡键合工艺实现，降低了工艺复杂度和加工成本，整个结构具有低剖面、高可靠性、工艺简单成本低等优点。
本发明相比现有技术的优点有：
(1)扫描性能优。本发明实施例的V波段硅基宽带宽角扫描天线单元，在57-65GHz频率范围内，可以实现±45°扫描，且驻波小于2.8。
(2)天线剖面低。本发明实施例的V波段硅基宽带宽角扫描天线单元，整个天线单元的剖面高度为0.48mm。
(3)天线成本低。本发明实施例的V波段硅基宽带宽角扫描天线单元，采用单层玻璃和硅基板实现，通过标准化的布线、过孔和铜锡键合工艺实现，降低了工艺复杂度和加工成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例、并不用以限制本发明、凡在本发明的精神和原则之内、所作的任何修改、等同替换、改进等、均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种硅基宽带宽角扫描天线单元，其特征在于，从上至下由矩形贴片1、玻璃基板2、缝隙耦合馈电层3、硅基基片集成波导背腔4和阻抗变换层6组成，所述硅基基片集成波导背腔4中设置有贯穿其上下表面的硅基金属化屏蔽过孔5，所述硅基金属化屏蔽过孔5将连接缝隙耦合馈电层3和阻抗变换层6进行连接，所述阻抗变换层6为共地共面波导结构，其中间条状延伸部分为微带馈电传输线7。
2.根据权利要求1所述的硅基宽带宽角扫描天线单元，其特征在于，所述缝隙耦合馈电层3设置有矩形镂空部分，所述矩形镂空部分被矩形贴片1在垂直方向上覆盖。
3.根据权利要求2所述的硅基宽带宽角扫描天线单元，其特征在于，所述硅基金属化屏蔽过孔5为金属制成的空心或实心柱体。
4.根据权利要求3所述的硅基宽带宽角扫描天线单元，其特征在于，所述玻璃基板2和硅基基片集成波导背腔4的介电常数分别为3.82和11.9。
5.根据权利要求3所述的硅基宽带宽角扫描天线单元，其特征在于，所述天线单元的剖面高度为0.48mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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