天线及其制作方法、天线装置及其制作方法与流程

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种天线、天线装置、天线的制作方法和天线装置的制作方法。


背景技术：

2.相关技术中，天线通常为平面微带线天线，例如贴片天线，贴片天线包括介质基板、设置在介质基板上的金属层，和设置在介质基板下的参考电极层，而贴片天线的增益带宽窄，因此若贴片天线应用到天线装置中，会导致天线装置的增益低、功率容量小。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种天线，其若应用到天线装置中，能够大幅度地提高天线装置的天线效率和功率容量，实现高增益的电控波束扫描功能。
4.解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种天线，包括第一基底，位于所述第一基底上的基材层；所述基材层中具有多个呈阵列排布的天线腔体，所述天线腔体的内侧具有导电层，每个所述天线腔体和其内侧的所述导电层形成一天线单元；其中，
5.每个所述天线腔体包括靠近所述第一基底一侧的近端开口，和远离所述第一基底一侧的远端开口，所述远端开口的口径大于所述近端开口的口径；并且，所述天线腔体相对远离所述第一基底处的口径，不小于相对靠近所述第一基底处的口径。
6.本发明提供的天线，由于天线中多个阵列排布的天线单元具有喇叭形天线腔体，和喇叭形腔体内侧的导电层，因此若天线应用到天线装置中，能够大幅度地提高天线装置的天线效率和功率容量，能够实现高增益的电控波束扫描功能。
7.优选的是，每个所述天线腔体包括相连的第一腔体和第二腔体，所述第二腔体相对所述第一腔体靠近所述第一基底设置；其中，
8.由所述第二腔体指向所述第一腔体的方向，所述第一腔体的口径逐渐增大，所述第二腔体的口径不变；所述第一腔体靠近所述第二腔体的端部的口径，与所述第二腔体靠近所述第一腔体的端部的口径的差值小于第一预设值。
9.优选的是，所述第一腔体包括至少一个相对所述第一基底倾斜设置的第一侧壁；所述第二腔体包括至少一个相对所述第一基底垂直设置的第二侧壁。
10.优选的是，所述第一腔体为方椎体，包括四个相对所述第一基底倾斜设置的第一侧壁；所述第二腔体为长方体，包括四个相对所述第一基底垂直设置的第二侧壁。
11.优选的是，所述基材层的材料包括硅、石英、陶瓷中的任一种。
12.相应地，本实施例还提供一种天线装置，包括上述天线和移相器，所述移相器与所述天线相连。
13.优选的是，所述移相器包括相对设置的第二基底和第三基底，以及设置在所述第二基底和所述第三基底之间的介质层，所述第二基底和所述第三基底之间的电场能够改变
所述介质层的介电常数。
14.优选的是，所述第二基底与第一基底共用。
15.优选的是，所述第二基底靠近所述第三基底一侧具有第一电极层，所述第三基底靠近所述第二基底一侧具有第二电极层；其中，
16.所述第一电极层具有多个狭缝，所述狭缝与所述天线腔体一一对应；每个所述天线腔体的近端开口在所述第三基底上的正投影，和与之对应的所述狭缝在所述第三基底上的正投影具有重叠区域；
17.所述第二电极层包括多个子电极，所述子电极与所述天线腔体一一对应；每个所述天线腔体的近端开口在所述第三基底上的正投影，和与之对应的所述子电极在所述第三基底上的正投影具有重叠区域。
18.相应地，本实施例还提供一种天线的制作方法，包括以下步骤：
19.在基材层中制作多个呈阵列分布的天线腔体；
20.在每个所述天线腔体的内侧制作导电层；
21.其中，每个所述天线腔体包括靠近第一基底一侧的近端开口，和远离所述第一基底一侧的远端开口，所述远端开口的口径大于所述近端开口的口径，并且，所述天线腔体相对远离所述第一基底处的口径，不小于相对靠近所述第一基底处的口径。
22.优选的是，所述基材层的材料为硅；在基材层中制作多个呈阵列分布的天线腔体，具体包括：通过体硅刻蚀工艺制作多个呈阵列分布的所述天线腔体。
23.相应地，本实施例还提供一种天线装置的制作方法，包括以下步骤：
24.制作天线；
25.制作移相器；
26.将所述天线和所述移相器通过键合工艺或贴合工艺装配为一体。
附图说明
27.图1为本发明提供的天线的一种实施例的俯视图；
28.图2为本发明提供的天线的一种实施例的侧视图(沿图1中a-b方向剖切)；
29.图3为本发明提供的天线的另一种实施例的侧视图；
30.图4为本发明提供的天线的天线腔体的一种实施例的结构示意图；
31.图5为本发明提供的天线的天线腔体的另一种实施例的结构示意图；
32.图6为本发明提供的天线装置的一种实施例的层结构示意图；
33.图7为本发明提供的天线装置的另一种实施例的层结构示意图；
34.图8为本发明提供的天线装置的第一电极层的一种实施例的俯视图；
35.图9为本发明提供的天线装置的第二电极层的一种实施例的俯视图；
36.图10为相关技术中微带线贴片天线的天线增益仿真图；
37.图11为本实施例提供的天线的天线增益仿真图；
38.图12为本实施例提供的天线与相关技术中微带线贴片天线的天线增益对比图；
39.图13为本发明提供的天线的制作方法的流程图；
40.图14为本发明提供的天线装置的制作方法的流程图；
41.图15为本发明提供的天线的制作方法的制作工艺图。
具体实施方式
42.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
43.附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是为了便于对本发明实施例的内容的理解。
44.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
45.第一方面，如图1、图2所示，本实施例提供一种天线，图1为天线俯视图，图2为沿图1中a-b剖切的侧视图。该天线包括第一基底1、基材层2和多个天线单元3。
46.具体地，基材层2位于第一基底1上，基材层2中具有多个呈阵列排布的天线腔体31，每个天线腔体31的内侧具有导电层32，每个天线腔体31和该天线腔体31内侧的导电层32形成一天线单元3。具体地，基材层2中天线单元3的数量不做限定，可以包括任意行天线单元3和任意列天线单元3，以下皆以基材层2中包括3
×
3的天线单元3的阵列为例进行说明。天线单元3即为辐射单元，用于发送射频信号。其中，每个天线腔体31包括靠近第一基底1一侧的近端开口d2，和远离第一基底1一侧的远端开口d1，在图2中，近端开口d2即为天线腔体31的下侧开口，远端开口d1即为天线腔体31的上侧开口，远端开口d1的口径r1大于近端开口d2的口径r2，并且，天线腔体31的整个腔体结构中，相对远离第一基底1处的口径，不小于相对靠近第一基底1处的口径。例如，如图2所示，图2中天线腔体31的k2所示的位置，相比k1所示的位置远离第一基底1，则k2所示的位置处天线腔体31的口径，不小于k1所示的位置处天线腔体31的口径，具体的根据天线腔体31的结构而定，以图2中天线腔体31为方锥体为例，由第一基底1指向远端开口d1的方向，天线腔体31的口径逐渐增大，则天线腔体31相对远离第一基底1处的口径，大于相对靠近第一基底1处的口径。从而，天线腔体31形成一个下侧口径下，上侧口径大的喇叭形，在天线腔体31的内侧，导电层32沿天线腔体31的形状覆盖在天线腔体31的内侧，则导电层32也呈喇叭形，从而若本实施例所示的天线单元3(天线腔体31和导电层32)应用到天线装置中，呈喇叭形的导电层32能够大幅度地提高天线装置的天线效率和功率容量，能够实现高增益的电控波束扫描功能。
47.需要说明的是，基材层2即为限定出天线腔体31的腔体侧壁的材料层，对基材层2进行刻蚀从而在基材层2中形成多个天线腔体31，基材层2的深度等于天线腔体31的腔体深度。天线腔体31内侧的导电层32在垂直于第一基底1的方向上的深度，可以等于天线腔体31的深度，也可以小于天线腔体31的深度，在此不做限定。
48.可选地，在本实施例提供的天线中，天线腔体31的具体形状可以为多种形式，例如，如图3所示，每个天线单元3的天线腔体31可以包括多个部分，例如，天线腔体31包括第
一腔体311和第二腔体312，第二腔体312相对第一腔体311靠近第一基底1设置。具体地，由第二腔体312指向第一腔体311的方向(图3中箭头s1所示的方向)，第一腔体311的口径逐渐增大，并且，由第二腔体312指向第一腔体311的方向(图3中箭头s1所示的方向)，第二腔体312的口径不变。第一腔体311靠近第二腔体312的端部，与第二腔体312靠近第一腔体311的端部紧密连接，如图3所示，第一腔体311通过如图中p所示的下侧端口，与第二腔体312如图中p所示的上侧端口紧密连接，第一腔体311靠近第二腔体312的端部的口径，与第二腔体312靠近第一腔体311的端部的口径的差值小于第一预设值，第一预设值可以为任意数值，例如1um，第一预设值的数值越小，则第一腔体311的下侧口径与第二腔体312的上侧口径的差异越小，则二者的结合的密封性越强。
49.进一步地，天线腔体31的具体形状可以包括多种类型，例如天线腔体31可以为方锥体形的喇叭形腔体，也可以为圆锥体形的喇叭形腔体等，例如，以上述天线腔体31包括第一腔体311和第二腔体312的实施例为例进行说明。如图4、图5所示，第一腔体311可以包括至少一个第一侧壁01，第一侧壁01围出的空腔即为第一腔体311，基材层2即为第一侧壁01的材料，第一侧壁01相对第一基底1倾斜设置，从而第一侧壁01形成的第一腔体311由下(靠近第一基底1)到上(远离第一基底1)的方向口径逐渐增大，形成喇叭形辐射面。第二腔体312可以包括至少一个第二侧壁02，第二侧壁02围出的空腔即为第二腔体312，基材层2即为第二侧壁02的材料，第二侧壁02相对第一基底1垂直设置，从而第二侧壁02形成的第二腔体312由下(靠近第一基底1)到上(远离第一基底1)的方向口径逐渐不变，形成射频信号的输入通道。第一侧壁01延伸至第二侧壁02的下侧端部，与第一侧壁02延伸至第一侧壁01的上侧端部相连，限定出天线腔体31。
50.在一些实施例中，如图1、图3、图4所示，基于上述实施例，第一腔体311可以为方椎体，第一腔体311包括四个相对第一基底1倾斜设置的第一侧壁01，四个第一侧壁01相连围出第一腔体311。第二腔体312为长方体，第二腔体312包括四个相对第一基底1垂直设置的第二侧壁02，四个第二侧壁02相连围出第二腔体312，四个第一侧壁01延伸至第二侧壁02的下侧，分别与四个第二侧壁02延伸至第一侧壁01的上侧相连，射频信号从下侧进入第二腔体312，再经过第一腔体311后发送出天线外部。
51.在一些实施例中，如图5所示，第一腔体311可以为圆锥体，第一腔体311包括一个相对第一基底1倾斜设置的第一侧壁01，该第一侧壁01环绕一圈限定出第一腔体311。第二腔体312为圆柱体，第二腔体312包括一个相对第一基底1垂直设置的第二侧壁02，该第二侧壁02环绕一圈限定出第二腔体312，第一侧壁01延伸至第二侧壁02的下侧，与第二侧壁02延伸至第一侧壁01的上侧相连，射频信号从下侧进入第二腔体312，再经过第一腔体311后发送出天线外部。
52.当然，天线腔体31还可以为其他形状，具体的结构可以根据需要设置，只要天线腔体31的形状符合远端开口d1的口径r1大于近端开口d2的口径r2，并且，天线腔体31的整个腔体结构中，相对远离第一基底1处的口径，不小于相对靠近第一基底1处的口径即可。
53.需要说明的是，天线腔体31的内侧具有导电层32，导电层32沿天线腔体31内侧的形状均匀覆盖在内侧，导电层32的形状由天线腔体31限定，因此天线腔体31的腔体结构的形状即为所形成的导电层32的膜层结构的形状。
54.可选地，基材层2可以包括多种类型的材料，例如，基材层2的材料可以包括硅、石
英、陶瓷等，因此可以采用半导体加工工艺制作天线腔体31，例如，微制造技术(microfabrication process，mems)工艺。
55.进一步地，基材层2可以为一整块的基材，第一腔体311和第二腔体312可以为一体结构，在同一道刻蚀工序在基材层2中形成。基材层2也可以包括多块子基板，例如包括第一子基板和第二子基板，在第一子基板中形成第一腔体311,都在第二子基板中形成第二腔体312，再将刻蚀好的第一子基板和第二子基板相键合，使第一子基板与第二子基板相叠加形成基材层2，并且将第一腔体311与第二腔体312相对位结合形成天线腔体31。具体的可以根据实际需要设置，在此不做限定。
56.第二方面，如图6所示，本实施例还提供一种天线装置，包括上述天线100和移相器200，移相器200与天线100相连，移相器200设置在天线100下侧。移相器200能够改变天线装置要发送的波束的相位，对波束的发送角度进行调节。移相器200可以为多种类型的移相器，例如微带线移相器、异面耦合移相器、半导体移相器、共平面波导(coplanar waveguide,cpw)移相器、可调介质移相器等，在此不做限定。以下皆以移相器200为可调介质移相器(具体为液晶移相器)为例进行说明。
57.可选地，如图6所示，以移相器200为可调介质移相器为例，移相器200包括相对设置的第二基底4和第三基底5，以及设置在第二基底4和第三基底5之间的介质层6，介质层6中具有可调介质，通过加载在第二基底4和第三基底5上的电压能够改变第二基底4和第三基底5之间的电场，改变第二基底4和第三基底5之间的电场能够改变介质层6的介电常数，从而射频信号(即波束)经过介质层6后能够被改变相位，再进入天线100，由天线100发送。介质层6中的可调介质可以包括多种类型，例如介质层6包括多个液晶分子。
58.可选地，天线100设置在移相器200的第二基底4背离第三基底5一侧，移相器200的第二基底4可以与天线100的第一基底1共用，从而可以减少天线装置的厚度。
59.可选地，如图6、7所示，移相器200的第二基底4靠近第三基底5一侧具有第一电极层41，第三基底5靠近第二基底4一侧具有第二电极层51。外部电源加载第一电压至第一电极层41，加载第二电压至第二电极层51，从而第一电极层41和第二电极层51之间形成电场，可以改变介质层6的介电常数以实现移相功能，经过移相后的射频信号从天线腔体31的近端开口d2馈入该天线腔体31对应的天线单元3中。
60.进一步地，第一电极层41和第二电极层51的具体结构可以包括多种类型，例如，如图7-9所示，图8为第一电极层41的俯视图，图9为第二电极层51的俯视图，图8、9所示的实施例中，基材层2包括3
×
3的天线单元3的阵列，为了示出天线腔体31与第一电极层41、第二电极层51的位置关系，在图中用矩形虚线框表示天线腔体31的近端开口d2在第一电极层41或第二电极层51的正投影的位置。参见图8，第一电极层41具有多个狭缝001，每个狭缝001对应一个天线腔体31，也即狭缝001与天线腔体31一一对应，每个天线腔体31的近端开口d2在第三基底5上的正投影，与该天线腔体31对应的狭缝001在第三基底5上的正投影具有重叠区域。也就是说，第一电极层41在对应天线腔体31的近端开口d2(也即射频信号输入口)的位置具有缝隙，以使射频信号能够透过狭缝001馈入天线腔体31中。狭缝001可以设置在对应天线腔体31的近端开口d2的任意位置，狭缝001的尺寸可以根据需要设定，狭缝001的尺寸可以覆盖整个近端开口d2，也可以小于近端开口d2，只要狭缝001与近端开口d2的正投影存在重叠区域即可。
61.进一步地，如图9所示，第二电极层51包括多个间隔设置的子电极511，每个子电极511对应一个天线腔体31，即天线腔体31与子电极511一一对应，每个子电极511向与之对应的天线腔体31所属的天线单元3馈入信号。子电极511具体的形状可以具有多种类型，例如梳状电极、螺旋线电极等等，图9中以子电极511为螺旋线电极为例进行说明。每个天线腔体31的近端开口d2在第三基底5上的正投影，和与该天线腔体31对应的子电极511在第三基底5上的正投影具有重叠区域，从而子电极511能够给天线腔体31内侧的导电层32馈电。并且，第一电极层41上的狭缝001也与子电极511一一对应，且狭缝001在第三基底5上的正投影，和与该狭缝001对应的子电极511的馈电端在第三基底5上的正投影存在重叠区域，从而子电极511馈电端的馈电信号，在经过介质层6的移相后能够从狭缝001通过近端开口d2馈入对应的天线腔体31内。如图9所示，以子电极5为螺旋线电极为例，螺旋线的一端为接收端t1，另一端为馈电端t2，接收端t1接收信号后，通过馈电端t2馈入天线腔体31。
62.可选地，第一基底1、第二基底4、第三基底5可以包括各种类型的基底，例如，第一基底1或第二基底4可以为玻璃基底，第三基底5可以为玻璃基底，也可以为各种类型的柔性基底，例如聚烯亚胺基底，若移相器200的第三基底5为柔性基底，则可以方便实现天线装置的共形问题，适用于在卫星通信等对共形要求较高的应用场景。在此不做限定。
63.参见图10-12，其中，图10为相关技术中天线为微带线贴片天线的天线增益仿真图，图11为本实施例提供的天线的天线增益仿真图，图12为本实施例提供的天线与图10中微带线贴片天线的天线增益对比图，。图10-12的横坐标为天线发送的波束的发射角度，纵坐标为天线的增益，从仿真结果可以明显看到，本实施例中天线的最大增益为13.4db，而图11中微带线贴片天线的最大增益为6.84db，本实施例的天线应用到天线装置中，能显著增大天线的增益。
64.第三方面，如图13所示，本实施例还提供一种天线的制作方法，如图15(a)所示，在制作第一基底1，且在第一基底1上设置基材层2后，天线的制作方法包括以下步骤：
65.s1、如图15(a)-(b)所示，在基材层2中制作多个呈阵列分布的天线腔体31。其中，每个天线腔体31包括靠近第一基底1一侧的近端开口d2，和远离第一基底1一侧的远端开口d1，远端开口d1的口径大于近端开口d2的口径，并且，天线腔体31相对远离第一基底1处的口径，不小于相对靠近第一基底1处的口径。
66.具体地，基材层2可以为一整块的基材，通过一道刻蚀工艺在基材层2中形成天线腔体31。基材层2也可以包括多块子基板，每块子基板分别对应天线腔体31的一部分，先分别刻蚀每一块子基板对应的天线腔体31的部分墙体，再通过键合工艺将多块子基板相叠加形成基材层2，每块子基板中的部分腔体相对位结合形成天线腔体31。具体的可以根据实际需要设置，在此不做限定。
67.可选地，基材层2的材料包括硅、陶瓷、石英等，以基材层2为硅为例进行说明。s1具体包括：通过体硅刻蚀工艺在基材层2中刻蚀空腔，形成多个呈阵列分布的天线腔体31。具体地，可以采用湿法刻蚀工艺，也可以采用干法刻蚀工艺对单晶硅基材(即基材层2)进行三维化的体硅刻蚀，可以采用各向异性的腐蚀工艺，也要采用各向同性的腐蚀工艺，以各向异性腐蚀工艺为例，可以利用腐蚀液对单晶硅基材的不同晶向腐蚀速率不同的特性，通过设置抗腐蚀材料的掩膜版(mask)，来控制腐蚀速度来刻蚀出所需的天线腔体31的形状。由于基材层2采用硅基底，因此可以采用mems工艺中的体硅工艺形成天线腔体31，能够提升天线
腔体21的刻蚀精确度。
68.s1、如图15(b)-(c)所示，在每个天线腔体31的内侧制作导电层32。
69.具体地，可以采用金属生长，通过溅射(sputter)工艺或电镀薄膜工艺，在天线腔体31内侧溅射或电镀导电层32的材料，导电层32的材料可以为各种导电材料，例如铜、银、铝等材料。
70.第四方面，如图14所示，本实施例还提供一种天线装置的制作方法，包括以下步骤：
71.s01、制作天线100。
72.参见图15，如上述天线的制作方法所述，以天线100的基材层2采用硅，第一基底1采用玻璃基底为例进行说明。
73.s02、制作移相器200。
74.移相器200的下基底(即第三基底5)可以为一块基板，也可以为多块基板通过键合工艺叠加形成。第三基底5可以为玻璃基底、石英基底、聚烯亚胺基底等各类型的基底。在第三基底5相对第二基底4的一侧通过溅射或电镀薄膜工艺施加第二电极层51的电极材料，第二电极层51的电极材料包括各种类型的导电材料，例如铜、银、铝等材料。若第二电极层51包括多个子电极511，可以通过刻蚀工艺，将第二电极层51的整面电极材料刻蚀为多个子电极511。同理，在第二基底4相对第三基底5的一侧通过溅射或电镀薄膜工艺施加第一电极层41的电极材料，第一电极层41的电极材料包括各种类型的导电材料，例如铜、银、铝等材料。若第一电极层41具有多个狭缝001，可以通过刻蚀工艺，在第一电极层41上刻蚀多个狭缝001。再将第二基底4和第三基底5对位封装，在二者之间灌注液晶分子形成介质层6。
75.s03、将天线100和移相器200通过键合工艺或贴合工艺装配为一体。
76.在天线100和移相器200制作完成后，由于天线100为硅基半导体结构，移相器200的基底也为玻璃等结构，因此可以通过键合工艺或贴合工艺将天线100与移相器200稳固连接，形成完整的天线装置。相较于相关技术中，由于天线采用贴片天线等金属天线，因此只能通过机械装配工艺将天线与移相器对盒，而本实施例中，通过键合工艺或贴合工艺将天线100与移相器200对位结合，键合工艺或贴合工艺的对准精度极高，键合质量极佳，可以有效减少对位公差。
77.第五方面，本实施例还提供一种显示装置，包括上述天线装置。要说明的是，本实施例提供的显示装置可以为：手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。对于该显示装置的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员应该理解具有的，在此不做赘述，也不应作为对本发明的限制。
78.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。