[发明专利]一种玻璃基贴片天线单元

说明书

本发明针对微系统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。

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，随着微系统技术的发展，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。