一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线及其重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线及其重构方法，天线由上至下依次包括十字辐射层、金属十字缝隙层、可重构馈电网络层以及偏置和控制层，十字辐射层中硅孔工艺二极管的第一偏置线通过金属十字缝隙层和可重构馈电网络层上的过孔与偏置和控制层连接；十字辐射层用于天线辐射，嵌到下面的金属十字缝隙层上；金属十字缝隙层用于形成频率和极化两个可重构变量；可重构馈电网络层用于双变量重构天线的馈电；偏置和控制层用于布置偏置电路和控制电路。方法通过控制不同位置的缝隙上硅孔工艺二极管及对应的可重构馈电网络的S‑PIN导通或截止的形式，实现天线的频率和极化重构。本发明专利技术降低了芯片功耗，减小了对射频信号的无效反射。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线及其重构方法
本专利技术涉及天线技术，具体涉及一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线及其重构方法。
技术介绍
硅通孔技术(ThroughSiliconVia，TSV)技术是一项高密度封装技术，正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。TSV技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连。硅通孔技术可以通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，实现芯片间的低功耗，高速通讯，增加宽带和实现器件集成的小型化。天线是雷达、通信、侦查等电子系统核心部件之一，是实现电磁波发射和接收的载体。从上世纪20年代起的线天线，到上世纪50年代起的面天线，再到如今的大规模应用的各种各样天线，如相控阵天线，微带天线，口径天线，缝隙天线，螺旋天线，可重构天线，封装天线(AiP)和片上天线(AoC)等，无一例外，这些天线的辐射体和馈电网络都是由金属材料组成，天线辐射体和馈电网络一旦设计完成，金属结构将固定不变，其电性能和电参数也是固定不可调。而传统的可重构天线，虽然可以通过电子开关(如普通PIN二级管)切换不同的辐射单元，或者将不同的金属辐射体连通或断开，实现天线的重构功能。但是，由于这类重构天线的辐射体和馈电网络的金属部分依然存在，使得天线设计和控制受到种种限制，金属部分带来的寄生辐射和互耦以及外接PIN管的控制技术复杂，使得其只能实现较为简单的重构功能，也无法实现集成化，其大规模应用受到限制。在固态等离子体芯片天线的设计过程中，通过对每个S-PIN二极管增加行、列地址的方法，可以实现单个S-PIN管的独立编程控制。使得S-PIN管芯片天线具有极高的设计灵活性，可以实现天线辐射体的结构和馈电网络的多参数可重构，具备多频段、多极化、宽带、小型化、集成化、共口径等多种功能重构的设计潜力。S-PIN二极管与普通PIN二极管类似，具有导通与截止特性，通过控制S-PIN管实现其导通(I区为类金属)状态和截止(I区为介质)状态的切换，单个S-PIN二极管的I区由于体积较小不能作为天线的辐射体，当大量S-PIN二极管的组合体同时导通时，其具有宏观的类金属特性，可作为天线的辐射体，起天线辐射器的作用，也可作为馈电线起馈电的作用。同样，当大量S-PIN二极管的组合体同时截止时，其具有宏观的介质特性。有很多研究者在针对可重构方面做出了很多努力，如基于S-PIN二极管的频率可重构偶极子天线，通过改变偶极子臂上的三个等离子体通导的通断，天线可实现从4.9GHz重构至6.3GHz四个频点的重构；还有S-PIN二极管应用于5G通信的28GHz的波束可重构天线，其通过控制15个缝隙中S-PIN通断实现天线波束在0°、30°和45°之间的切换。但是都有重构变量单一，功耗大，应用复杂度高等缺点。在末制导雷达抗干扰、小型化、集成化、多功能化的发展过程中，迫切需求研制小型化的、可集成的、多变量可重构的天线。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线，该天线通过硅通孔工艺将集成电路与天线封装在一起，实现小型化、可集成化、多变量可重构的天线。本专利技术的另一个目的是提供一种所述天线的重构方法。技术方案：本专利技术的天线，由上至下依次包括十字辐射层、金属十字缝隙层、可重构馈电网络层以及偏置和控制层，通过倒装工艺使得十字辐射层的P+区电极在下表面，金属十字缝隙层和可重构馈电网络层均设有与所述电极对应的过孔，第一偏置线一端与P+区电极连接，另一端穿过金属十字缝隙层和可重构馈电网络层的过孔与偏置和控制层连接；十字辐射层用于天线辐射，嵌到下面的金属十字缝隙层上；金属十字缝隙层用于形成频率和极化两个可重构变量，并用于隔离十字辐射层和可重构馈电网络层；可重构馈电网络层用于双变量重构天线的馈电；偏置和控制层用于布置偏置电路和控制电路。优选的，十字辐射层由M×N个硅孔工艺二极管线阵纵横交错排列组成，每行或每列硅孔工艺二极管线阵之间有间隙，行和列正交的部分通过场隔离工艺隔离连接，且纵横交错的硅孔工艺二极管线阵全部倒装覆盖在金属十字缝隙层的平面缝隙上，通过分别控制正交的硅孔工艺二极管线阵的导通或截止，实现天线的极化可重构。优选的，硅孔工艺二极管线阵由L个硅孔工艺二极管通过场隔离工艺隔离连接组成，实现各硅孔工艺二极管的独立控制，每个硅孔工艺二极管包括硅衬底层、绝缘层、I区、N+区、P+区、N+区金属电极、P+区金属电极、隔离层、隔离层过孔和第一偏置线，绝缘层设置于硅衬底层的上表面，I区、N+区、P+区均设置于绝缘层上表面，I区位于中间位置，N+区和P+区分别位于I区的两侧，N+区金属电极设置于N+区上表面，P+区金属电极设置于P+区上表面，并在P+区金属电极上表面设置一层很薄的隔离层，第一偏置线通过隔离层上的隔离层过孔与P+区金属电极连接，N+区金属电极直接与金属十字缝隙层接触连接。硅孔工艺二极管倒着横跨在金属十字缝隙层的平面缝隙上，N+区金属电极与缝隙芯片天线表面金属导体即金属十字缝隙层的金属平板连接，P+区金属电极与金属十字缝隙层之间增加隔离层，并在隔离层过孔引出电极，保证PN结之间可以形成电势差。硅孔工艺二极管即使用单S-PIN倒装隔离过孔工艺，将S-PIN二极管的直流偏置和控制电路中的大部分金属部分放置在可重构馈电网络层和偏置和控制层，并通过接地金属平板即金属十字缝隙层与天线辐射面阵即硅孔工艺二极管可重构天线十字辐射层进行隔离。优选的，金属十字缝隙层包括金属平板和设置在金属平板上的平面缝隙，平面缝隙由M×N个正交十字缝隙单元阵列组成，每一个正交十字缝隙单元的两条正交缝隙都分别由不同的馈电支路进行馈电，且每一行或每一列正交十字缝隙单元分别由十字辐射层上的每一行或每一列硅孔工艺二极管线阵完全覆盖。正交的平面缝隙能够保证在不同极化方式下天线的频率重构的独立性。优选的，可重构馈电网络层采用S-PIN构建可重构馈电网络，馈电方式采用微带耦合馈电，通过直流电压控制可重构馈电网络中S-PIN的类金属特性和介质特性，当某馈电支路需要馈电时，为导通时的类金属特性，此时该馈电支路导通起到馈电作用；当某馈电支路不需要馈电时，为截止时的介质特性，使该馈电支路开路，降低馈电金属线之间的互耦，也减小馈电金属线对天线辐射的影响。优选的，可重构馈电网络层中S-PIN管的连接线为第二偏置线，该第二偏置线采用高阻结构进行射频信号隔离。本专利技术所述天线的重构方法，通过控制不同位置的缝隙上硅孔工艺二极管及对应的可重构馈电网络的S-PIN导通或截止的形式，实现天线的频率重构和极化重构。进一步的，天线的频率重构方法为：通过外加直流电压使横跨平面缝隙的硅孔工艺二极管截止，产生介质特性，形成等效辐射缝隙，其余硅孔工艺二极管导通，产生类金属特性与金属十字缝隙层的平板金属电连通，将硅孔工艺二极管所在位置的缝隙屏蔽，通过对不同的硅孔工艺二极管实现导通或截止的控制，形成了不同长度的等效辐射缝隙，并通过对应的可重构馈电网络层的S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线，其特征在于：由上至下依次包括十字辐射层(1)、金属十字缝隙层(2)、可重构馈电网络层(3)以及偏置和控制层(4)，通过倒装工艺使得十字辐射层的P+区电极(5)在下表面，金属十字缝隙层和可重构馈电网络层均设有与所述电极对应的过孔(6)，第一偏置线(7)一端与P+区电极连接，另一端穿过金属十字缝隙层和可重构馈电网络层的过孔与偏置和控制层连接；十字辐射层用于天线辐射，嵌到下面的金属十字缝隙层上；金属十字缝隙层用于形成频率和极化两个可重构变量，并用于隔离十字辐射层和可重构馈电网络层；可重构馈电网络层用于双变量重构天线的馈电；偏置和控制层用于布置偏置电路和控制电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于TSV三维封装的可重构芯片天线，其特征在于：由上至下依次包括十字辐射层(1)、金属十字缝隙层(2)、可重构馈电网络层(3)以及偏置和控制层(4)，通过倒装工艺使得十字辐射层的P+区电极(5)在下表面，金属十字缝隙层和可重构馈电网络层均设有与所述电极对应的过孔(6)，第一偏置线(7)一端与P+区电极连接，另一端穿过金属十字缝隙层和可重构馈电网络层的过孔与偏置和控制层连接；十字辐射层用于天线辐射，嵌到下面的金属十字缝隙层上；金属十字缝隙层用于形成频率和极化两个可重构变量，并用于隔离十字辐射层和可重构馈电网络层；可重构馈电网络层用于双变量重构天线的馈电；偏置和控制层用于布置偏置电路和控制电路。


2.根据权利要求1所述的基于TSV三维封装的可重构芯片天线，其特征在于：十字辐射层由M×N个硅孔工艺二极管线阵纵横交错排列组成，每行或每列硅孔工艺二极管线阵之间有间隙，行和列正交的部分通过场隔离工艺隔离连接，且纵横交错的硅孔工艺二极管线阵全部倒装覆盖在金属十字缝隙层的平面缝隙上，通过分别控制正交的硅孔工艺二极管线阵的导通或截止，实现天线的极化可重构。


3.根据权利要求2所述的基于TSV三维封装的可重构芯片天线，其特征在于：硅孔工艺二极管线阵由L个硅孔工艺二极管通过场隔离工艺隔离连接组成，实现各硅孔工艺二极管的独立控制，每个硅孔工艺二极管包括硅衬底层(13)、绝缘层(12)、I区(9)、N+区(10)、P+区(11)、N+区金属电极(14)、P+区金属电极(5)、隔离层(15)、隔离层过孔(16)和第一偏置线(7)，绝缘层设置于硅衬底层的上表面，I区、N+区、P+区均设置于绝缘层上表面，I区位于中间位置，N+区和P+区分别位于I区的两侧，N+区金属电极设置于N+区上表面，P+区金属电极设置于P+区上表面，并在P+区金属电极上表面设置一层隔离层，第一偏置线通过隔离层上的隔离层过孔与P+区金属电极连接，N+区金属电极直接与金属十字缝隙层接触连接。


4.根据权利要求1所述的基于TSV三维封装的可重构芯片天线，其特征在于：金属十字缝隙层包括金属平板和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少斌，胡智勇，周永刚，陈鑫，安彤，蒋海珊，梁景原，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京六季光电技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32