基于多层层叠型介质集成波导的三维基片集成天线的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于多层层叠型介质集成波导的三维基片集成天线。


背景技术：

2.基片集成器件和电路在先进的无线通信系统中起着至关重要的作用。尽管单层几何结构易于加工，但当整个模块或系统的尺寸增大时，连接拓扑结构成为设计过程中的一个挑战。在设计中，必须引入额外的较长的基片集成传输线或者交叉电桥作为元件间的互连，这不仅降低了工作效率，而且占用了更多的空间。因此，具有更多设计灵活性的多层几何结构受到越来越多的关注。不同层间的互连对于多层基片中毫米波器件或系统的实现具有重要意义。目前广泛使用的垂直互联结构分为通孔和孔径这两种类型，而通孔型互联中的盲孔或埋孔仅适用于连接相邻层中的结构，孔径耦合方式又会由于各层介质板间可能存在的空气层导致能量的泄露。与传统封闭几何结构的金属波导不同，间隙波导巧妙地利用了导电板和等效磁导体板之间的空气层所形成的阻带现象，从而可以有效地抑制功率泄漏，而不需要完全封闭的几何结构。另一方面，现有的多层基片集成结构通常只是将单层的基片设计堆叠在一起，真正能够满足三维结构特性的器件很难直接集成到基片中。
3.基于上述问题，如何实现兼具性能优良与方便加工等特性的垂直互联结构，以及除了垂直互联结构外，如何充分利用被忽略的多层基片的垂直方向上的维度，扩展基片集成器件设计的自由度，是亟待解决的一个关键问题。
4.

技术实现要素：

5.本发明的实施例提供了一种基于多层层叠型介质集成波导的三维基片集成天线，以实现电磁能量在与基片垂直和水平方向的转换与传输，实现将三维结构器件直接集成到多层基片中，使其具有三维结构的优良特性。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
7.一种基于多层层叠型介质集成波导的三维基片集成天线，包括：
8.由下向上依次垂直叠加放置的n层介质基片，n大于1且为正数，在介质基片的上表面或下表面覆盖有金属层，在各金属层上蚀刻有相应的孔缝，在每一层的介质基片内内集成有金属化孔；
9.各介质基片内的金属化孔围成一个或多个闭合结构，每层介质基片之间存在一定厚度的空气层，介质基片内的金属化孔组成介质集成波导；
10.每层的介质基片的金属层，以及金属层内的金属化孔、金属层上蚀刻的的孔缝一起共同实现天线结构。
11.优选地，所述天线包括16层介质基片，其中由下向上第1
‑
9层的介质基片1
‑
9用于构成三维正交模耦合器，第10
‑
16层的介质基片10
‑
16用于构成双极化角锥喇叭天线。
12.优选地，位于第1
‑
3层的介质基片内的金属化孔20,21，24，25，30，金属层1，18，23,27以及孔缝22,26,32共同构成正交模耦合器中的一个e面功分器；位于第3
‑
5层的介质基片内的金属化孔28,29,34，35，39，金属层19,27，33,38以及孔缝31,37,41共同构成与前述功分器正交的e面功分器。
13.优选地，位于第2层的介质基片中的金属化孔25和位于第4层的介质基片中的35用于实现两个正交的e面功分器在宽带内的阻抗匹配。
14.优选地，位于第7层的介质基片中的金属化孔48和位于第8层的介质基片中的金属化孔52，53共同构成三维正交模耦合器中的极化分离膜片，用于实现两种正交极化波在公共端口的合并与分离，保证正交模耦合器的阻抗匹配与正交极化波的高隔离度。
15.优选地，所述天线为正交模耦合器馈电的双极化角锥喇叭天线。
16.优选地，在最顶层和次顶层的介质基片上蚀刻有用于汇聚天线波束的空气孔。
17.优选地，所述介质基片厚度为0.762mm，介电常数为3.66，所述空气层厚度为0
‑
1mm，所述金属层厚度为0.035mm。
18.优选地，电磁能量通过金属层上的孔缝以及金属化通孔围成的闭合机构进行垂直和水平方向上的传输。
19.优选地，蚀刻在第1层介质基片上的金属层上的矩形缝隙22尺寸为3.27mm*0.4mm，位于第1层介质基片内的金属化孔的直径为0.4mm，孔径间距为0.6mm；
20.蚀刻在第2层介质基片上的金属层上的矩形缝隙26尺寸为3.3mm*0.3mm，两个缝隙间距12mm,位于第2层介质基片内的第一金属化孔的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，第二金属化孔的直径为0.2mm；
21.蚀刻在第3层介质基片上的金属层上的第一矩形缝隙寸为3.42mm*0.4mm，第二矩形缝隙的尺寸为3.3mm*0.6mm，位于3层介质基片上的第一金属化孔的直径为0.4mm，孔径间距为0.6mm，第二金属化孔的直径为1.2mm，孔径间距为2mm；
22.蚀刻在第4层介质基片上的金属层上的矩形缝隙尺寸为3.3mm*0.6mm，矩形缝隙的尺寸为3.3mm*0.3mm，位于第4层介质基片上的第一金属化孔的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，第二金属化孔的直径为0.2mm。
23.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的天线可实现电磁能量在多层介质基片内的水平和垂直传输；可实现三维结构的基片集成化，同时保证三维结构的优良性能。
24.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明实施例提供的一种三维基片集成天线的结构图；
27.图2是本发明实施例提供的一种基于介质集成波导的三维正交模耦合器馈电的双
极化角锥喇叭天线的分层结构图。
28.图3是本发明实施例提供的一种中介质基片1的俯视图。
29.图4是本发明实施例提供的一种中介质基片2的俯视图。
30.图5是本发明实施例提供的一种中介质基片3的俯视图。
31.图6是本发明实施例提供的一种中介质基片4的俯视图。
32.图7是本发明实施例提供的一种中介质基片5的俯视图。
33.图8是本发明实施例提供的一种中介质基片6的俯视图。
34.图9是本发明实施例提供的一种中介质基片7的俯视图。
35.图10是本发明实施例提供的一种中介质基片8的俯视图。
36.图11是本发明实施例提供的一种中介质基片9的俯视图。
37.图12是本发明实施例提供的一种中介质基片10的俯视图。
38.图13是本发明实施例提供的一种中介质基片11的俯视图。
39.图14是本发明实施例提供的一种中介质基片12的俯视图。
40.图15是本发明实施例提供的一种中介质基片13的俯视图。
41.图16是本发明实施例提供的一种中介质基片14的俯视图。
42.图17是本发明实施例提供的一种中介质基片15的俯视图。
43.图18是本发明实施例提供的一种中介质基片16的俯视图。
44.图19是本发明实施例提供的一种中1
‑
9层三维正交模耦合器内电场分布的设计结果。
45.图20是本发明实施例提供的一种三维正交模耦合器馈电的双极化喇叭天线s参数设计结果。
具体实施方式
46.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
47.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
48.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
49.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
50.本发明实施例提供了一种基于多层层叠型介质集成波导的三维基片集成天线，该三维基片集成天线为双极化角锥喇叭天线，其结构图如图1所示，由下向上依次垂直叠加放置的n层介质基片，n大于1且为正数，在介质基片的上表面或下表面覆盖有金属层，在各金属层上蚀刻有相应的孔缝，在每一层的介质基片内内集成有金属化孔。各介质基片内的金属化孔围成一个或多个闭合结构，每层介质基片之间存在一定厚度的空气层，介质基片内的金属化孔组成介质集成波导。
51.每层的介质基片的金属层，以及金属层内的金属化孔、金属层上蚀刻的的孔缝一起共同实现天线结构。电磁能量通过金属层上的孔缝以及金属化通孔围成的闭合机构进行垂直和水平方向上的传输。
52.在实际应用中，可以在最底层和由下向上第三层的介质基片内的金属化孔组成水平方向上的基片集成波导，在其它层的介质基片内的金属化孔组成介质集成波导。
53.图2是本发明实施例提供的一种基于介质集成波导的三维正交模耦合器馈电的双极化角锥喇叭天线的分层结构图，包括16层介质基片，其中第1
‑
9层介质基片用于构成三维正交模耦合器，第10
‑
16层介质基片用于构成双极化角锥喇叭天线。具体包括：
54.图3是本发明实施例提供的一种中介质基片1的俯视图。双面覆金属层17,18的第一层介质基片1，介质基片1内的水平基片集成波导由金属化孔20组成，基片集成波导的一端由金属孔21短路，上表面金属层18上蚀刻有矩形缝隙22。
55.图4是本发明实施例提供的一种中介质基片2的俯视图。第二层介质基片2的上表面覆盖有金属层23,介质基片2中的金属化孔24和25分别用于组成介质集成波导和改善结构阻抗匹配，金属层23上蚀刻有矩形缝隙26。
56.图5是本发明实施例提供的一种中介质基片3的俯视图。第三层介质基片3的双面覆盖有金属层19和27，金属过孔28用于构成基片集成波导，基片集成波导28的一端由金属孔29短路，介质基片3中的金属化孔30用于组成介质集成波导，金属层27上蚀刻有矩形缝隙31，32。
57.图6是本发明实施例提供的一种中介质基片4的俯视图。第四层介质基片4的上表面覆盖有金属层33，介质基片4中的金属化孔34和35分别用于组成介质集成波导和改善结构阻抗匹配，金属层27上蚀刻有矩形缝隙36，37。
58.图7是本发明实施例提供的一种中介质基片5的俯视图。第五层介质基片5的上表面覆盖有金属层38，介质基片5中的金属化孔39用于组成介质集成波导，金属层40上蚀刻有矩形缝隙41。
59.图8是本发明实施例提供的一种中介质基片6的俯视图。第六层介质基片6的上表面覆盖有金属层42，介质基片6中的金属化孔43用于组成介质集成波导，金属层42上蚀刻有矩形缝隙44。
60.图9是本发明实施例提供的一种中介质基片7的俯视图。第七层介质基片7的上表面覆盖有金属层45，介质基片7中的金属化孔46用于组成介质集成波导，金属层42上蚀刻有正方形孔缝47。
61.图10是本发明实施例提供的一种中介质基片8的俯视图。第八层介质基片8的上表面覆盖有金属层49，介质基片8中的金属化孔50用于组成介质集成波导，金属层49上蚀刻有正方形孔缝51。介质基片7中的金属化孔48和介质基片8中的金属化孔52，53共同构成三维
正交模耦合器的极化分离膜片。
62.图11是本发明实施例提供的一种中介质基片9的俯视图。第九层介质基片9的上表面覆盖有金属层54，介质基片9中的金属化孔55用于组成介质集成波导，金属层54上蚀刻有正方形孔缝56。
63.图12是本发明实施例提供的一种中介质基片10的俯视图。第十层介质基片10的上表面覆盖有金属层57，介质基片10中的金属化孔58用于组成介质集成波导，金属层57上蚀刻有正方形孔缝59。
64.图13是本发明实施例提供的一种中介质基片11的俯视图。第十一层介质基片11的上表面覆盖有金属层60，介质基片11中的金属化孔61用于组成介质集成波导，金属层60上蚀刻有正方形孔缝62。
65.图14是本发明实施例提供的一种中介质基片12的俯视图。第十二层介质基片12的上表面覆盖有金属层63，介质基片12中的金属化孔64用于组成介质集成波导，金属层63上蚀刻有正方形孔缝65。
66.图15是本发明实施例提供的一种中介质基片13的俯视图。第十三层介质基片13的上表面覆盖有金属层66，介质基片13中的金属化孔67用于组成介质集成波导，金属层66上蚀刻有正方形孔缝68。
67.图16是本发明实施例提供的一种中介质基片14的俯视图。第十四层介质基片14的上表面覆盖有金属层69，介质基片14中的金属化孔70用于组成介质集成波导，金属层69上蚀刻有正方形孔缝71。
68.图17是本发明实施例提供的一种中介质基片15的俯视图。第十五层介质基片15的上表面覆盖有金属层72，介质基片15中的金属化孔73用于组成介质集成波导，金属层72上蚀刻有正方形孔缝74，介质基片上蚀刻有空气孔75，用于汇聚天线波束。
69.图18是本发明实施例提供的一种中介质基片16的俯视图。第十六层介质基片16的上表面覆盖有金属层76，介质基片16中的金属化孔77用于组成介质集成波导，金属层76上蚀刻有正方形孔缝78，介质基片上蚀刻有空气孔79，用于汇聚天线波束。
70.本发明在ka波段实现了上述基于介质集成波导的三维正交模耦合器馈电的双极化角锥喇叭天线设计。用来构成该设计的介质基片厚度为0.762mm，介电常数为3.66，空气层厚度可在0
‑
1mm之间，金属层厚度为0.035mm。
71.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层18上的矩形缝隙22尺寸为3.27mm*0.4mm，位于介质基片1内的金属化孔20，,21的直径为0.4mm，孔径间距为0.6mm。
72.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层23上的矩形缝隙26尺寸为3.3mm*0.3mm，两个缝隙间距12mm,位于介质基片2内的金属化孔24的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，金属化孔25的直径为0.2mm。
73.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层27上的矩形缝隙31尺寸为3.42mm*0.4mm，矩形缝隙32的尺寸为3.3mm*0.6mm，位于介质基片3内的金属化孔28，,29的直径为0.4mm，孔径间距为0.6mm，金属化孔30的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
74.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层33上的矩形缝隙36尺寸为3.3mm*0.6mm，矩形缝隙37的尺寸为3.3mm*0.3mm，位于介质基片4内的金属化孔34的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，金属化孔35的直径为0.2mm。
75.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层38上的矩形缝隙41尺寸为3.3mm*0.6mm，位于介质基片5内的金属化孔39的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
76.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层42上的矩形缝隙44尺寸为3.3mm*0.35mm，位于介质基片6内的金属化孔43的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
77.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层45上的正方形孔缝44尺寸为3.3mm*3.3mm，位于介质基片7内的金属化孔46的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，金属化孔48的直径为0.5mm。
78.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层49上的正方形孔缝51尺寸为3.3mm*3.3mm，位于介质基片8内的金属化孔50的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，金属化孔52的直径为0.6mm，金属化孔53的直径为0.5mm。
79.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层54上的正方形孔缝56尺寸为3.3mm*3.3mm，位于介质基片9内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
80.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层57上的正方形孔缝59尺寸为3.6mm*3.6mm，位于介质基片10内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
81.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层60上的正方形孔缝62尺寸为5.3mm*5.3mm，位于介质基片11内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
82.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层63上的正方形孔缝65尺寸为6mm*6mm，位于介质基片12内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
83.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层66上的正方形孔缝68尺寸为7.2mm*7.2mm，位于介质基片13内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
84.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层69上的正方形孔缝71尺寸为8mm*8mm，位于介质基片14内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm。
85.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层72上的正方形孔缝74尺寸为9.4mm*9.4mm，位于介质基片15内的金属化孔55的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，位于介质基片15内的空气孔75直径为1.2mm,孔径间距为1.6mm。
86.作为一个具体实施方式，蚀刻在金属层76上的正方形孔缝78尺寸为10.4mm*10.4mm，位于介质基片16内的金属化孔77的直径为1.2mm，孔径间距为2mm，位于介质基片16内的空气孔79直径为1.2mm,孔径间距为1.5mm。
87.基于介质集成波导的三维正交模耦合器内部的电场分布如图19所示，由电场分布可以看出该天线结构设计可以在同一输出端口有效激励出两种正交的传输模式。
88.所设计的天线结构s参数结果如图20所示，可以看出在工作频带范围内，|s
11
|和|s
22
|低于
‑
10db,隔离低于
‑
50db。
89.综上所述，本发明实施例的三维基片集成天线与现有技术相比，具有以下优点：
90.1、可实现电磁能量在多层介质基片内的水平和垂直传输；
91.2、可实现三维结构的基片集成化，同时保证三维结构的优良性能；
92.3、结构紧凑，集成度高；
93.4、易于加工实现，对加工精度要求低，同时保证能量不会泄露；
94.5、具有良好的传输带宽和低损耗特性。
95.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或
流程并不一定是实施本发明所必须的。
96.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
97.本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
98.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。