一种低剖面宽带超表面微带贴片天线及制备方法与流程

1.本发明涉无线通信领域，特别是涉及一种低剖面宽带超表面微带贴片天线及制备方法。


背景技术：

2.随着无线通信技术的迅猛发展，对应用于无线通信系统的天线提出了小型化、宽频带等要求。微带贴片天线具有结构紧凑、低剖面、重量轻、易加工、能与微波电路集成等诸多优点，能够很好地满足无线通信技术的需求，广泛应用于无线传感、通信和雷达系统等，因而成为倍受人们关注的一个热点技术。
3.传统微带贴片天线，例如矩形贴片天线，由于其比较高的品质因素导致其工作带宽比较窄，难以满足当今无线通信应用的需求。现今，提高微带贴片天线带宽的技术主要包括但不限于：
4.(1)采用多点馈电、电容耦合等馈电方式；(2)采用叠层贴片结构；(3)降低介质基板的介电常数或增加介质基板厚度；(4)增加寄生谐振器；(5)加载缝隙、中心短路钉、贴片切角等。
5.然而，寄生谐振器数量的增加和不规则的缝隙加载等方法要么会加大天线尺寸，要么会大大增加了天线的分析难度；而且都难以大幅提高天线的工作带宽。所以，设计一款在保持低剖面的同时实现较大工作带宽的微带贴片天线是一个挑战。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种低剖面宽带超表面微带贴片天线及制备方法，在保持低剖面的同时实现较大的工作带宽。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种低剖面宽带超表面微带贴片天线，包括：依次层叠设置的馈电线、第一介质基板、开缝贴片、第二介质基板和辐射贴片；
9.所述馈电线包括微带线和与所述微带线连接的末端扇形贴片；所述末端扇形贴片的半径及角度用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽；
10.所述开缝贴片上设置矩形缝槽；所述矩形缝槽的长度、宽度和位置用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽；所述位置为所述矩形缝槽在所述开缝贴片上的位置；所述馈电线与所述开缝贴片通过耦合馈电的方式向所述辐射贴片馈电以实现信号的辐射与接收；
11.所述辐射贴片包括多个等腰直角三角形贴片；所述辐射贴片的一侧为远离所述开缝贴片的一侧；所述等腰直角三角形贴片用于调节所述辐射贴片的表面电流。
12.可选地，所述第一介质基板的材料和所述第二介质基板的材料为同种材料或者异种材料；
13.所述材料为石英玻璃晶圆、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、碳化硅晶圆或者氮化硼晶
圆。
14.可选地，多个所述等腰直角三角形贴片按照设定方式排列在所述辐射贴片上；每个所述等腰直角三角形贴片的底边、中心旋转角度和间距用于调节所述辐射贴片的表面电流；所述间距为相邻两个所述等腰直角三角形贴片之间的间距。
15.可选地，所述矩形缝槽的中心与所述开缝贴片的中心重合。
16.可选地，所述馈电线、所述开缝贴片和所述辐射贴片均为多层导电金属膜层。
17.可选地，多层所述导电金属膜层具体为依次层叠的tiw、ni和au。
18.可选地，所述微带线为50欧姆微带线。
19.可选地，所述微带线与所述矩形缝槽的长边垂直。
20.一种低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法，其特征在于，所述低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法应用于如上述任意一项所述的低剖面宽带超表面微带贴片天线，所述低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法包括：
21.分别利用物理气相沉积工艺对第一介质基板的表面和第二介质基板表面进行金属层沉积，得到带有金属层的第一介质基板和带有金属层的第二介质基板；
22.分别利用光刻工艺在所述带有金属层的第一介质基板的下表面刻蚀出馈电线，在所述带有金属层的第一介质基板的上表面刻蚀出开缝贴片，在所述带有金属层的第二介质基板的上表面刻蚀出辐射贴片；
23.分别利用电镀工艺对所述馈电线、所述开缝贴片和所述辐射贴片的金层进行加厚，得到加厚第一介质基板和加厚第二介质基板；
24.利用电化学共沉积工艺对经过金层加厚的开缝贴片的上表面共形沉积形成金锡合金层；
25.加热所述金锡合金层以使所述加厚第一介质基板和所述加厚第二介质基板焊接。
26.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
27.本发明提供的一种低剖面宽带超表面微带贴片天线及制备方法，依次层叠设置的馈电线、第一介质基板、开缝贴片、第二介质基板和辐射贴片；馈电线包括微带线和与微带线连接的末端扇形贴片；末端扇形贴片的半径及角度用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽；开缝贴片上设置矩形缝槽；矩形缝槽的长度、宽度和位置用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽；辐射贴片的一侧设置多个等腰直角三角形贴片；等腰直角三角形贴片用于调节辐射贴片的表面电流。通过调节等腰直角三角形贴片，可以实现调节辐射贴片的表面电流分布，形成两种或以上谐振频率接近的电流模式，实现工作频率宽带化的设计目的；同时也可以约束表面电流分布，提高辐射极化场的极化纯度，起到提升交叉极化抑制比的目的。通过调节所述馈电线末端扇形贴片的半径及角度，可调节天线的工作带宽；通过调节所述开缝贴片中的缝槽长度、宽度以及位置，可调节天线的工作带宽，从而实现在保持低剖面的同时实现较大的工作带宽。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
29.图1为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线结构透析图；
30.图2为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线结构示意图；其中图2(a)为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线整体示意图；图2(b)为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线俯视图；图2(c)为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线仰视图；图2(d)为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线侧视图；图2(e)为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线前视图；
31.图3为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法流程图；
32.图4为本发明提供的低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法流程示意图；
33.图5为回波损耗结果图；
34.图6为极化方向结果图。
35.符号说明：
36.211-馈电线，212-50欧姆微带线，213-末端扇形贴片，221-第一介质基板，231-开缝贴片，231-矩形缝槽，241-第二介质基板，251-辐射贴片，252-等腰直角三角形贴片。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种低剖面宽带超表面微带贴片天线及制备方法，在保持低剖面的同时实现较大的工作带宽
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.如图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)所示，本发明提供的一种低剖面宽带超表面微带贴片天线，包括：依次层叠设置的馈电线211、第一介质基板221、开缝贴片231、第二介质基板241和辐射贴片251。
41.所述馈电线211包括微带线和与所述微带线连接的末端扇形贴片213；其中末端扇形贴片213的圆心与所述微带线连接。所述末端扇形贴片213的半径及角度用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽。其中，角度为扇形的夹角。
42.所述开缝贴片231上设置矩形缝槽232；所述矩形缝槽232的长度、宽度和位置用于调节低剖面宽带超表面微带贴片天线的工作带宽；所述位置为所述矩形缝槽232在所述开缝贴片231上的位置；所述馈电线211与所述开缝贴片231通过耦合馈电的方式向所述辐射贴片251馈电以实现信号的辐射与接收。
43.所述辐射贴片251包括多个等腰直角三角形贴片252；所述辐射贴片251的一侧为远离所述开缝贴片231的一侧；所述等腰直角三角形贴片252用于调节所述辐射贴片251的表面电流。
44.作为一种可选的实施方式，所述第一介质基板221的材料和所述第二介质基板241的材料为同种材料或者异种材料；所述材料为石英玻璃晶圆、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、碳
化硅晶圆或者氮化硼晶圆。
45.作为一种可选的实施方式，多个所述等腰直角三角形贴片252按照设定方式排列在所述辐射贴片251上；每个所述等腰直角三角形贴片252的底边、中心旋转角度和间距用于调节所述辐射贴片251的表面电流；所述间距为相邻两个所述等腰直角三角形贴片252之间的间距。
46.作为一种可选的实施方式，所述矩形缝槽232的中心与所述开缝贴片231的中心重合。
47.作为一种可选的实施方式，所述馈电线211、所述开缝贴片231和所述辐射贴片251均为多层导电金属膜层。
48.作为一种可选的实施方式，多层所述导电金属膜层具体为依次层叠的tiw、ni和au。
49.作为一种可选的实施方式，所述微带线为50欧姆微带线212。所述微带线与所述矩形缝槽232的长边垂直。
50.本发明面向无线通信系统的应用，其工作带宽约为4.8～6.2ghz，具有约25.5％的相对工作带宽。第一介质基板221设于馈电线211的上表面；开缝贴片231设于第一介质基板221上表面；第二介质基板241设于开缝贴片231上表面；辐射贴片251设于第二介质基板241上表面；开缝贴片231中心设有矩形缝槽232；辐射贴片251由若干个等腰直角三角形贴片252按一定规律排布组成；其中，一定规律指的是按照轴对称、旋转对称等规律；通过调节等腰直角三角形贴片252的底边长度，中心旋转角度以及它们之间的间距，可以实现调节辐射贴片251的表面电流分布，形成两种或以上谐振频率接近的电流模式，实现工作频率宽带化的设计目的；同时也可以约束表面电流分布，提高辐射极化场的极化纯度，起到提升交叉极化抑制比的目的。通过调节馈电线211末端扇形贴片213的半径及角度，可调节天线的工作带宽；通过调节开缝贴片231中的矩形缝槽232的长度、宽度以及位置，可调节天线的工作带宽；其中，矩形缝槽232的位置是根据极化模式的电流分布进行调整的。另外本发明提供的贴片天线结构简单且总厚度小于10mm，实现了低剖面的设计目的。
51.如图3所示，本发明提供的一种低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法，所述低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法应用于如上述任意一项所述的低剖面宽带超表面微带贴片天线，所述低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法包括：
52.步骤401：分别利用物理气相沉积工艺对第一介质基板的表面和第二介质基板表面进行金属层沉积，得到带有金属层的第一介质基板和带有金属层的第二介质基板。
53.步骤402：分别利用光刻工艺在所述带有金属层的第一介质基板的下表面刻蚀出馈电线，在所述带有金属层的第一介质基板的上表面刻蚀出开缝贴片，在所述带有金属层的第二介质基板的上表面刻蚀出辐射贴片。
54.步骤403：分别利用电镀工艺对所述馈电线、所述开缝贴片和所述辐射贴片的金层进行加厚，得到加厚第一介质基板和加厚第二介质基板。
55.步骤404：利用电化学共沉积工艺对经过金层加厚的开缝贴片的上表面共形沉积形成金锡合金层。
56.步骤405：加热所述金锡合金层以使所述加厚第一介质基板和所述加厚第二介质基板焊接。
57.如图4所示，本发明还提供低剖面宽带超表面微带贴片天线制备方法在实际应用中的具体方式。
58.步骤301：金属化，通过物理气相沉积工艺在所述的第一介质基板、第二介质基板的两个表面上沉积金属层；优选的，所述的金属层自下而上依次为tiw(80～100nm)、ni(1000nm～1500nm)、au(100～500nm)。
59.步骤302：图形化，通过光刻工艺在第一玻璃基板下表面制作出所述的馈电线，在第一玻璃基板上表面制作出所述的开缝贴片，在第二玻璃基板上表面制作出所述的辐射贴片。
60.步骤303：电镀加厚，通过电镀工艺加厚所述的馈电线、所述的开缝贴片及所述的辐射贴片的金层厚度。
61.步骤304：金锡共沉积，通过电化学共沉积工艺在所述开缝贴片上表面共形沉积一层金锡合金层。
62.步骤305：组装，通过加热所述开缝贴片上表面的金锡合金将所述的第一介质基与所述的第二介质基板焊接在一起，完成低剖面宽带超表面微带贴片天线的制造。
63.低剖面宽带超表面微带贴片天线制造方法加工工艺简单且成熟、加工精度高；馈电线、开缝贴片、辐射贴片由多层导电金属膜层组成，自下而上依次为tiw、ni、au；tiw的厚度范围为80～100nm，ni的厚度范围为1000nm～1500nm，au的厚度范围为100～500nm。其中，tiw层作为粘附层，起到提高金属膜附着力的作用，进而能提高器件的可靠性；ni层作为阻焊层，可以有效阻挡焊料扩散至介质基板，大大降低性能劣化的风险。
64.如图5和图6所示，图5为回波损耗图，图6为极化方向图，本发明提供了约4.8～6.2ghz的工作带宽，在工作带宽内回波损耗可以满足小于-10db，认为本发明是可用的，3db波束宽度为72
°
。
65.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
66.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。