CN115020964A - 一种基于bcb传输结构的层叠式天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BCB传输结构的层叠式天线，所述天线包括玻璃基板和硅基板，玻璃基板和硅基板之间通过第一键合金球进行连接，所述玻璃基板、硅基板和第一键合金球三者形成的空腔内设置有BCB传输结构，所述BCB传输结构包括多层BCB层，BCB层上设置有多个带状线，所述玻璃基板的上表面设有多个与所述带状线一一对应的辐射贴片。本发明公开的基于BCB传输结构的层叠式天线可实现高隔离、低损耗多端口毫米波信号分配和传输以及控制和供电信号的传输和分配，具有集成度高，重量轻，剖面低，损耗小，导热性能好等优点。
Description
技术领域
本发明属于相控阵天线领域，尤其涉及一种基于BCB传输结构的层叠式天线。
背景技术
近年来，W波段等毫米波高频应用正日益受到通信与雷达工业的重视。相对于低频应用，W波段具备更高的分辨率、更好的方向性及更小的阵面尺寸，而相对于频率更高的红外应用，又具备全天候工作的优势。而毫米波相控阵将毫米波独特的优势与相控阵相结合，在军用和民用领域都有极其广阔的应用前景，已经成为下一代天线的重要发展方向。
然而，W波段等毫米波高频段相控阵对天线架构提出了新的挑战。传统上的相控阵由分立器件组装构成，不同器件之间通过传输线进行连接。然而，很多介质材料在毫米波频段损耗较大，这就需要尽可能减小高频信号的传输距离。不同传输结构间的装配精度要求高，装配造成的损耗大，对天线的性能和稳定性造成了挑战。近年来得到快速发展的层叠式封装天线(AiP)的概念，通过多层结构三维封装集成，不仅实现了传输距离的最小化，避免了高频信号线的后期装配，模块化的设计同样降低了成本和提高了可维护性，是未来W波段天线阵面的重要技术路线。
目前常见的三维堆叠材料多为硅或玻璃基材。然而，当应用于W波段时，硅基材介电常数较高，作为辐射层基材带宽和辐射效率由较大的限制；而作为绕线层基材，由于硅的介电常数较高，传输线上波长较短，需要在传输线两端密集地打上屏蔽孔。目前的硅基工艺打孔间距尚不能满足W波段有效屏蔽的技术要求。玻璃介电常数较低，是较好的辐射层基板材料；作为绕线层基材时，虽然对打孔间距的要求较硅基小，但玻璃基的打孔工艺难度更大，仍不能满足W波段的屏蔽要求。因此，急需要一种新型的介质材料，同时满足介电常数较低及较高的工艺加工能力，作为绕线层的介质。
苯并环丁烯BCB材料是一种高性能的微电子薄膜材料，其相对介电常数较玻璃更低，可达到2.65；同时其打孔间距最小可以做到0.18mm，可以满足W波段有效屏蔽的要求；但由于BCB是一种薄膜材料，其机械性能决定了不可以独立作为基材，因此如何设计天线叠层，提出一种具有可操作性的基于BCB的W波段传输结构及层叠式天线，具有十分重要的工程意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于BCB传输结构的层叠式天线，所述天线包括玻璃基板和硅基板，玻璃基板和硅基板之间通过第一键合金球进行连接，所述玻璃基板、硅基板和第一键合金球三者形成的空腔内设置有BCB传输结构，所述BCB传输结构包括多层BCB层，BCB层上设置有多个带状线，所述玻璃基板的上表面设有多个与所述带状线一一对应的辐射贴片。
进一步地，所述BCB传输结构包括两层BCB层，两层BCB层的面积部分覆盖硅基板的上表面，其覆盖面不包括键合金球的焊点位置。
进一步地，两层BCB层包括上层BCB层和下层BCB层，带状线位于上层BCB层和下层BCB层之间，带状线的形状根据下层的馈点位置、不同通道间的等相位要求进行调整。
进一步地，硅基板的上表面和上层BCB层的上表面上分别设置有第二金属层和第一金属层，第一金属层和第二金属层之间通过贯穿两层BCB层的BCB层金属化通孔连接。
进一步地，带状线的一端与垂直互联BCB段相连，并通过微同轴结构穿过硅基板与天线下层的有源电路相连，构成完整的有源天线AiP结构；所述微同轴结构包括硅基板金属化通孔、第三金属层和第二键合金球。
进一步地，所述带状线与垂直互联BCB段相连的一端还设有/波长阻抗变换线，通过/波长阻抗变换线调整微同轴结构的阻抗与带状线的阻抗的匹配度。
进一步地，所述第一金属层上设有耦合缝隙，带状线与相应的辐射贴片之间通过耦合缝隙耦合。
本发明与现有技术相比，具备以下优点：
(1)本发明利用两层基材之间的空隙，部分布置BCB传输结构，BCB部分让开了键合金球的位置，改善了W波段天线绕线层的传输损耗。
(2)采用的加工工艺能够满足现有的工艺加工能力，能够在当前工艺水平下充分发挥BCB介电常数低、最小通孔间距小和加工精度高的优势。
(3)本发明在W波段具有较宽的带宽和较大的波瓣宽度，非常适合作为相控阵的天线单元，为W波段等毫米波高频段全有源相控阵的实现提供了可行的解决方案，具有很高的研究和应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一的天线剖面图。
图2为本发明实施例一的天线俯视图。
图3为本发明实施例一的局部的三维示意图。
图4为本发明实施例一的W波段天线单元反射系数仿真结果。
图5为本发明实施例一的W波段天线单元E平面方向图仿真结果。
图6为本发明实施例一的W波段天线单元H平面方向图仿真结果。
图中标号所代表的含义为：
辐射贴片1、玻璃基板2、带状线3、第一金属层4、上层BCB5、下层BCB6、BCB层金属化通孔7、第一键合金球8、第二金属层9、硅基板10、硅基板金属化通孔11、第三金属层12、第二键合金球13、耦合缝隙14、垂直互联BCB段15、1/4波长阻抗变换段16。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
实施例一
本实施例提出的一种基于BCB传输结构的层叠式阵面天线如图1、图2和图3所示。
所述天线包括玻璃基板2和硅基板10，玻璃基板2和硅基板10之间通过第一键合金球8进行连接，玻璃基板2和硅基板10之间设置有两层BCB层(包括上层BCB层5和下层BCB层6)，两层BCB层的面积部分覆盖硅基板10的上表面，让出键合金球8的焊点位置。在BCB层绕线间隙或***布置第一键合金球8，架高辐射层基材，保证玻璃基板2和硅基板10间的结构连接，并为中间的BCB层创造高度足够的空气间隙。采用玻璃基板2作为辐射贴片1的基材的优势在于玻璃的介电常数较低，与空气的失配较小，可以提升辐射效率、扩大天线带宽。
硅基板10的上表面和上层BCB层的上表面上分别设置有第二金属层9和第一金属层4，第一金属层4和第二金属层9之间通过贯穿两层BCB层的BCB层金属化通孔7实现共地和屏蔽，防止线间的串扰及辐射损耗。
所述上层BCB层5和下层BCB层6间还设有多个带状线3，每个带状线3可在BCB层内根据下层馈点位置以及不同通道间的等相位要求进行弯曲。采用BCB层作为带状线基材的原因在于BCB介电常数较低，同时打孔间距较小，可以满足W波段低损传输的要求。带状线3的一端与垂直互联BCB段15相连，并通过微同轴结构穿过硅基板10，与天线下层的有源电路(图1和图3中未画出)相连，构成完整的有源天线AiP结构；所述微同轴结构包括第三金属层12、硅基板金属化通孔11和第二键合金球13；所述带状线3与垂直互联BCB段15相连的一端还设有1/4波长阻抗变换线16，当微同轴结构的阻抗与带状线3的阻抗存在不匹配时，可以通过1/4波长阻抗变换线16进行阻抗匹配设计。
所述玻璃基板2的上表面还设置有与带状线3相对应的辐射贴片1，带状线3与对应的辐射贴片1之间通过第一金属层4上的耦合缝隙14耦合。
本实施例的性能特征可以通过数值仿真说明。
图4所示为天线单元的反射系数。以反射系数<-10dB为通带标准，则可以看出该天线设计中心频率为94GHz，设计通带范围89GHz-99.9GHz，带宽10.9GHz。
图5与图6为天线单元的辐射性能，可以看出天线的最大辐射方向为天线法向，最大增益7.8dBi，天线波瓣较宽，E面的波瓣宽度达到65°，H面的波瓣宽度达到68°，说明该天线用于平面阵组阵是在两个维度均可达到较大的扫描范围。
本发明提供的一种具有可执行性的基于BCB传输结构的层叠式天线，该天线利用两层基材之间的空隙，部分布置BCB传输结构，BCB部分让开了键合金球的位置，改善了W波段天线绕线层的传输损耗。
本发明所采用的加工工艺满足现有的工艺加工能力，能够在当前工艺水平下充分发挥BCB介电常数低、最小通孔间距小和加工精度高的优势。该天线在W波段具有较宽的带宽和较大的波瓣宽度，非常适合作为相控阵的天线单元，为W波段等毫米波高频段全有源相控阵的实现提供了可行的解决方案，具有很高的研究和应用价值。
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 (7)
1.一种基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，所述天线包括玻璃基板(2)和硅基板(10)，玻璃基板(2)和硅基板(10)之间通过第一键合金球(8)进行连接，所述玻璃基板(2)、硅基板(10)和第一键合金球(8)三者形成的空腔内设置有BCB传输结构，所述BCB传输结构包括多层BCB层，BCB层上设置有多个带状线(3)，所述玻璃基板(2)的上表面设有多个与所述带状线(3)一一对应的辐射贴片(1)。
2.根据权利要求1所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，所述BCB传输结构包括两层BCB层，两层BCB层的面积部分覆盖硅基板(10)的上表面，其覆盖面不包括键合金球(8)的焊点位置。
3.根据权利要求2所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，两层BCB层包括上层BCB层5和下层BCB层6，带状线(3)位于上层BCB层5和下层BCB层6之间，带状线(3)的形状根据下层的馈点位置、不同通道间的等相位要求进行调整。
4.根据权利要求3所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，硅基板(10)的上表面和上层BCB层的上表面上分别设置有第二金属层(9)和第一金属层(4)，第一金属层(4)和第二金属层(9)之间通过贯穿两层BCB层的BCB层金属化通孔(7)连接。
5.根据权利要求4所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，带状线(3)的一端与垂直互联BCB段(15)相连，并通过微同轴结构穿过硅基板(10)与天线下层的有源电路相连，构成完整的有源天线AiP结构；所述微同轴结构包括硅基板金属化通孔(11)、第三金属层(12)和第二键合金球(13)。
6.根据权利要求5所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，所述带状线(3)与垂直互联BCB段(15)相连的一端还设有1/4波长阻抗变换线(16)，通过1/4波长阻抗变换线(16)调整微同轴结构的阻抗与带状线(3)的阻抗的匹配度。
7.根据权利要求6所述的基于BCB传输结构的层叠式天线，其特征在于，所述第一金属层(4)上设有耦合缝隙(14)，带状线(3)与相应的辐射贴片(1)之间通过耦合缝隙(14)耦合。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115020964B (zh) | 2024-04-23 |
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