高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列制造技术

一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列，有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，并位于金属腔中，片上H形缝隙结构有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。本发明专利技术有效克服硅基集成工艺设计天线时辐射效率及增益较低的难题，损耗更小，辐射效率和增益更高。

Dielectric Resonant Antenna and Antenna Array on Silicon Substrate with High Radiation Efficiency and High Gain

A dielectric resonant antenna and antenna array on a silicon substrate with high radiation efficiency and high gain are composed of an on-chip H-shaped slot structure and a rectangular dielectric resonant block fixed on the on-chip H-shaped slot structure through an insulating adhesive layer. The on-chip H-shaped slot structure is formed on the top metal of the integrated process and is located in the metal cavity. The on-chip H-shaped slot structure has two parallel left vertical slots and right vertical slots. The corresponding side of the slot, the left vertical slot and the right vertical slot forms an inverted L-shaped left slot and the right vertical slot respectively. The horizontal part of the inverted L-shaped left slot and the right vertical part of the inverted L-shaped slot are connected in the middle of the corresponding left vertical slot and the right vertical part of the inverted L-shaped left slot and the right vertical part of the slot are parallel to each other to form two antennas connected with the external structure. The strip opens the gap. The invention effectively overcomes the problem of low radiation efficiency and gain when designing antenna with silicon-based integrated technology, and has smaller loss, higher radiation efficiency and gain.

【技术实现步骤摘要】
高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列
本专利技术涉及一种天线。特别是涉及一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。
技术介绍
天线是收发机系统中的重要组成部分，它主要承载着发射与接收电磁波信号的功能。在毫米波及太赫兹频段，由于频率较高，天线的尺寸小，采用集成工艺加工生产片上天线易于集成，相比片外天线能够有效避免复杂的封装过程，以及互联过程中产生的损耗，因此片上天线的设计尤为重要。目前，片上天线的设计所面临的困难主要是天线的增益和辐射效率较低，造成这种现象的原因主要分为两种情况：第一种情况，天线在集成工艺中的上层金属层制作，没有底层金属作为屏蔽的地板，由于硅衬底介电常数很大(εr＝11.9)，天线辐射电磁波大部分会向硅衬底的方向辐射。然而，标准的硅基集成工艺中硅衬底具有较小的电阻率(10Ω·m)，这将会产生较大的欧姆损耗，将大量的电磁能量转化为热。同时硅衬底较大的相对介电常数使电磁波在其中转化为表面波耗散。以上两种损耗是造成在顶层金属制作天线，无底层金属作为屏蔽地板情况下天线的辐射效率和增益大幅降低的主要原因。第二种情况，天线制作在集成电路工艺的顶层金属，底层金属作为屏蔽地板抑制电磁波辐射进入硅衬底。在标准硅基集成电路工艺中，最顶层和最底层金属之间的间距非常小(小于15μm)，天线辐射单元和屏蔽地板之间存在强耦合作用，减小了天线的辐射电阻，降低天线的辐射效率。因此，在设计片上天线过程中，突破硅基集成工艺的设计局限，有效减小损耗，提高片上天线的增益和辐射效率成为片上天线设计的关键问题。介质谐振天线(Dielectricresonatorantenna,DRA)已被证实可应用于片上天线设计，电磁能量通过片上结构耦合至介质谐振块，同时得益于介质谐振块低损特性，可有效改善片上天线损耗大的问题，提升片上天线效率和增益。因此，片上DRA天线的研究具有广阔前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够实现较高的辐射效率和增益的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。本专利技术所采用的技术方案是：一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在所述片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，所述片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，并位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔中，其中，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。一种由高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，是形成在矩形集成工艺顶层金属上的2×2天线阵列，包括有分别形成在所述矩形金属板的四个端部的四个结构相同的片上H形缝隙结构，通过绝缘胶层分别固定在四个所述片上H形缝隙结构上的四个结构相同的矩形介质谐振块，其中，位于左上端部的第一片上H形缝隙结构的一条引出缝隙通过第一连接缝隙连接位于左下端部的第二片上H形缝隙结构的一条引出缝隙，所述第一片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙通过第二连接缝隙与位于右上端部的第三片上H形缝隙结构的一条引出缝隙相连，所述第三片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙通过第三连接缝隙与位于右下端部的第四片上H形缝隙结构的一条引出缝隙相连，所述第二片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙和第四片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙分别通过第一引出缝隙和第二引出缝隙构成用于天线阵列连接外部电路的连接端。第一连接缝隙、第二连接缝隙、第三连接缝隙、第一引出缝隙和第二引出缝隙构成一分四GCPW功分网络，其中，所述第一连接缝隙和第二连接缝隙在所述第一片上H形缝隙结构的连接处的相位与所述第一连接缝隙和第一引出缝隙在所述的第二片上H形缝隙结构的连接处的相位之差为180°，所述第二连接缝隙和第三连接缝隙在第三片上H形缝隙结构的连接处的相位与第三连接缝隙和第二引出缝隙的第四片上H形缝隙结构的连接处的相位之差为180°。所述的四个结构相同的片上H形缝隙结构均包括有有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分分别构成与所述的第一连接缝隙或第二连接缝隙或第三连接缝隙或第一引出缝隙或第二引出缝隙相连的两条引出缝隙。本专利技术的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列，将高阶模式TEδ,1,3模的矩形介质谐振块和片上缝隙馈电结构相结合，有效克服硅基集成工艺设计天线时辐射效率及增益较低的难题。相比于传统片上偶极子及Patch等天线，本专利技术的损耗更小，辐射效率和增益更高。此外，本专利技术首次将DRA阵列天线的设计应用于硅基集成工艺中，设计了2×2DRA天线阵列，通过匹配网络对阻抗匹配的优化及振源天线在空间电磁场的叠加，阵列天线实现更宽的阻抗匹配带宽和更高的增益。附图说明图1是本专利技术高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线的结构示意图；图2是本专利技术中矩形介质谐振块的结构示意图；图3是本专利技术中片上H形缝隙结构的结构示意图；图4是本专利技术天线阵列的结构示意图；图5是图4中一分四GCPW功分网络的结构示意图；图6a是DRA天线的回波损耗S11随频率变化关系图；图6b是DRA天线增益随频率变化关系图；图7是DRA天线辐射方向图；图8a是一分四GCPW功分网络的S参数图；图8b是一分四GCPW功分网络的端口间相位关系图；图9a是2×2DRA阵列天线的回波损耗S11图；图9b是2×2DRA天线阵列的增益随频率变化关系图；图10是2×2DRA阵列天线的辐射方向图。图中1：片上H形缝隙结构11：左垂直缝隙12：右垂直缝隙13：左侧缝隙14：右侧缝隙15：金属腔2：绝缘胶层3：矩形介质谐振块4：集成工艺顶层金属5：矩形集成工艺顶层金属6：第一连接缝隙7：第二连接缝隙8：第三连接缝隙9：第一引出缝隙10：第二引出缝隙101：集成工艺底层金属A1：第一片上H形缝隙结构A2：第二片上H形缝隙结构A3：第三片上H形缝隙结构A4：第四片上H形缝隙结构具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列做出详细说明。如图1、图2、图3所示，本专利技术的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构1和通过绝缘胶层2设置在所述片上H形缝隙结构1上的矩形介质谐振块3，所述片上H形缝隙结构1是形成在集成工艺顶层金属4上，并位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属4和集成工艺底层金属101以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔15中。其中，所述片上H形缝隙结构1包括有两条平行形成的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12，所述左垂直缝隙11和右垂直缝隙12相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14，所述倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的水平部分连接在所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构(1)和通过绝缘胶层(2)固定在所述片上H形缝隙结构(1)上的矩形介质谐振块(3)，其特征在于，所述片上H形缝隙结构(1)是形成在集成工艺顶层金属(4)上，并位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属(4)和集成工艺底层金属(101)以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔(15)中，其中，所述片上H形缝隙结构(1)包括有两条平行形成的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)，所述左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)的中部，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。

【技术特征摘要】
1.一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构(1)和通过绝缘胶层(2)固定在所述片上H形缝隙结构(1)上的矩形介质谐振块(3)，其特征在于，所述片上H形缝隙结构(1)是形成在集成工艺顶层金属(4)上，并位于采用集成工艺中除集成工艺顶层金属(4)和集成工艺底层金属(101)以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成的金属腔(15)中，其中，所述片上H形缝隙结构(1)包括有两条平行形成的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)，所述左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)的中部，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。2.一种由权利要求1所述的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，其特征在于，是形成在矩形集成工艺顶层金属(5)上的2×2天线阵列，包括有分别形成在所述矩形金属板(5)的四个端部的四个结构相同的片上H形缝隙结构(A1、A2、A3、A4)，通过绝缘胶层(2)分别固定在四个所述片上H形缝隙结构(A1、A2、A3、A4)上的四个结构相同的矩形介质谐振块(3)，其中，位于左上端部的第一片上H形缝隙结构(A1)的一条引出缝隙通过第一连接缝隙(6)连接位于左下端部的第二片上H形缝隙结构(A2)的一条引出缝隙，所述第一片上H形缝隙结构(A1)的另一条引出缝隙通过第二连接缝隙(7)与位于右上端部的第三片上H形缝隙结构(A3)的一条引出缝隙相连，所述第三片上H形缝隙结构(A3)的另一条引出缝隙通过第三连接缝隙(8)与位于右下端部的第四片上H形缝隙结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：腾云龙，傅海鹏，张齐军，马建国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12