一種應用于毫米波微帶天線的垂直耦合饋電結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用于毫米波微帶天線的垂直耦合饋電結構，屬于毫米波微帶天線領域。
【背景技術】
[0002]天線是雷達、通信等系統必備的重要器件，微帶天線因其設計多樣性、低剖面易共形，饋電方法多，高性能成本低，在成像系統天線陣及防撞雷達等領域得到廣泛應用。對微帶天線進行饋電的基本方式是:(I)用微帶線饋電；(2)用同軸線饋電。應用于多層板的層間信號互連時，在微波頻段一般可以通過線纜和連接器等連接形式實現電路與天線饋源的連接。當系統的工作頻率不斷提高后，達到Ka頻段，可以基于普通PCB工藝，利用特定的通孔，利用高頻玻璃絕緣子等小型化結構實現信號的垂直互連，減少信號的傳輸損耗。當頻段進一步提升，到達50GHz以上(如V波段、W波段等)，信號的垂直互聯變得十分困難。采用通孔的耦合方法往往需要對引入的電感進行匹配，導致傳輸帶寬較窄，難以適應寬帶系統的要求。
[0003]為滿足較好的探測距離性能和全息功能，雷達探測系統一般要求較寬的工作帶寬。毫米波輻射計是毫米波被動探測與成像的關鍵部件，如工作于94GHz (波長3mm)頻段的輻射計其檢測目標對于外界電磁波自然輻射的反射和自身的輻射信號的強度，形成目標的探測與成像。輻射計接收到的能量的大小是探測與成像的關鍵，為提高靈敏度水平，需設計較寬的帶寬增加接受功率，一般需要5?1GHz性能帶寬。利用毫米波進行主動式全息成像需要更寬的帶寬，以實現三維全息成像的距離信息，因此較寬的工作帶寬是關鍵。如工作于Ka頻段的主動成像系統，工作帶寬達到1GHz以上，占比超過30%。展寬微帶天線頻帶的途徑是降低天線等效電路的Q值(品質因數)，增大基片厚度是展寬微帶天線的有效手段，但是基片相對于自由空間波長過大會引起表面波的明顯激勵。降低介電常數也可以展寬頻帶帶寬，但能力有限，介電常數最小值為1，即空氣介質。介電常數低還將減小表面波的影響，然而饋線要寬些，需要抑制輻射損耗的加大。為獲得低介電常數，現已發展了蜂窩結構、泡沫結構以及介質挖腔結構等。
[0004]另外，對于多層互連電路，通孔垂直互聯的加工工藝誤差也較難控制，誤差將導致實際集成過程中性能離散性較大。毫米波信號垂直信號可靠互聯是射頻系統設計的關鍵點。在系統集成上面，信號互聯饋電方法需要滿足易于集成及較高的一致性。PCB工藝的通孔結構為機械成型方式，受到定位控制及加工變形等因素的制約，相比較光學表面圖形成型精度較低。本發明主要通過PCB工藝的表面平面電路設計實現信號的耦合傳輸，避免通孔工藝，提高加工精度，提高集成的一致性。在毫米波微帶天線的饋電方式上，與微帶線饋電及同軸線饋電相比，電磁耦合型饋電能獲得寬頻帶的駐波比特性，而且可以獲得比較滿意的匹配。傳統微帶線饋電時饋線與微帶天線貼片是共面的，但這時饋線本身也要引起輻射，從而干擾天線方向圖，降低增益。而電磁耦合型饋電方式的結構特點是饋電線與微帶天線貼片為貼近式(無接觸)饋電，可利用饋線本身，也可通過口徑(縫隙)來形成饋線與天線間的電磁耦合，其優點是結構上無焊點、無寄生輻射、性能上不會對貼片天線的遠場輻射造成影響，可獲得均勻的輻射方向圖。這對于多層陣列中的層間連接問題，是一種有效的解決方法。
[0005]綜上所述，針對毫米波多層互連結構電路的綜合要求，構筑成本發明構思，本發明擬提出一種兼顧系統性能需求的垂直耦合饋電結構。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種應用于毫米波微帶天線的垂直耦合饋電結構，以能夠解決工作頻率在毫米波頻段時天線與射頻電路的層間垂直互連問題。
[0007]本發明采用兩層介質基片襯底粘合在一起，底層和頂層分別為微帶貼片天線和共面波導(CPW)轉微帶饋線，兩層介質基板襯底之間的接地板帶有縫隙，CPW轉微帶饋線通過接地板上的縫隙口徑耦合對頂層天線進行激勵。天線襯底采用挖腔處理，降低了天線基板的有效介電常數。本發明在毫米波高頻段條件下實現天線與電路的三維堆疊結構，減少系統平面截面積，同時使所述的垂直耦合結構具有較寬的工作頻帶。
[0008]本發明提供一種應用于毫米波微帶天線的垂直耦合饋電結構。包括微帶貼片天線、底層介質基片襯底、襯底挖腔結構、帶有縫隙的接地板、頂層介質基片襯底、共面波導轉微帶饋線。所述微帶貼片天線在所述底層介質基片襯底的底側；所述襯底挖腔結構是指底層介質襯底上挖腔；所述的帶有縫隙的接地板位于兩層介質基片襯底中間；所述共面波導轉微帶饋線在頂層介質基片襯底的上表面。
[0009]所述的應用于毫米波微帶天線的垂直耦合饋電結構，其特征在于:所述的底層介質襯底與頂層介質襯底均是采用介電常數為11.7的硅基襯底，厚度分別是150?250 μ m和50?150 μ m。表面濺射金屬為金，金層的厚度為I?5ym。優先推薦的厚度是200 μ m和100 μ m，金層厚度為3 μ m。
[0010]所述的共面波導(CPW)轉微帶饋線結構，其共面波導傳播的是TEM波，沒有截止頻率，用來改善微帶天線頻帶較窄的限制，
[0011]所述的共面波導轉微帶饋線結構，通過改變微帶饋線的長度來調節微帶貼片天線的諧振頻率。
[0012]所述的微帶貼片天線的底層介質基片襯底，采用挖腔處理來降低天線基板的介電常數，根據空腔深度的不同來調節天線基板的有效介電常數。
[0013]所述的帶有縫隙的接地板，其縫隙口徑為“H”型結構，通過調整H的倒角尺寸及縫隙臂間距，將信號耦合到天線可獲得較寬的天線工作帶寬。
[0014]由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果:本發明利用將縫隙耦合、襯底挖腔和共面波導轉微帶的饋電方式同時使用的結構，可應用于微帶天線與芯片層疊封裝的結構，避免采用小孔耦合饋電而產生的高電感值，以及匹配困難的問題。所述的垂直耦合饋電結構具有較寬的工作帶寬，易實現饋源與天線之間的匹配。本發明優點是無焊點、無寄生輻射、可獲得均勻的輻射方向圖，克服了傳統單一饋電方式帶來的微帶貼片天線性能的不利影響以及設計上的局限性，對于多層陣列中的層間連接問題，是一種及其有效的解決方法。
【附圖說明】
[0015]圖1為毫米波垂直耦合饋電結構的整體剖面示意圖；
[0016]圖2(a)為垂直耦合饋電結構的俯視圖，圖2(b)為接地板上的縫隙“H”型結構；
[0017]圖3為毫米波微帶天線的結構圖；
[0018]圖中，1.微帶貼片天線，2.底層介質基片襯底，3.襯底挖腔結構，4.帶有縫隙的接地板，5.頂層介質基片襯底，6.共面波導轉微帶饋線，7.結構中心線。