薄膜微带天线过渡探针结构的制作方法

本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种薄膜微带天线过渡探针结构。

背景技术：

太赫兹覆盖100ghz到10thz的广大频谱范围，波长范围为3毫米～30微米，兼有微波和红外线的一些特点。与微波相比，其频谱范围更宽，信息容量更大，适用于高速大容量通信；太赫兹辐射信噪比高，适合用于高质量成像；其辐射能小，能穿透多种有机、无机材料，衰减小。太赫兹单片电路包括太赫兹放大器、倍频器、混频器、信号收发系统等，在通信、雷达、检测、射电天文学和医学方面具有重要的应用前景。

电磁波在平面传输结构(单片电路)中传播与在波导结构中传播有不同的传输模式，为了尽可能使电磁波能量在不同传播模式下转换的过程中损耗降低，需要精确设计的过渡结构以及传输结构良好的阻抗匹配。对过渡结构的基本要求是：低传输损耗和回波损耗、有足够的频带宽度、具有良好的重复性和一致性、与电路协调设计便于加工制作。单片电路-波导过渡结构是片上系统与模块对接的关键技术，而传统的微波单片电路主要采用金丝跳线进行封装，这种跳线连接方式在太赫兹频段会引入极大的感性不连续性，整个过渡结构会表现出高损耗，高反射的特性，金丝跳线在太赫兹频段的高损耗特性影响太赫兹单片电路的实用化。

在片天线形式探针可以免除金丝跳线连接，目前的过渡结构都与共面波导电路集成，共面波导电路信号线、地线共面，容易实现良好的偶极子探针设计。另一种常见而高效的太赫兹片上传输结构是薄膜微带，薄膜微带工艺采用低损耗的介质如苯并环丁烯(bcb)，除去器件层至少还需要两层金属分别作为微带线地层和信号层，与传统的微带线结构相比，采用薄膜工艺得到非常薄的介质层，可以有效降低微带线在太赫兹频段的损耗特性，是太赫兹单片电路的理想传输结构，却缺少合适的太赫兹片上电路-波导过渡结构，片上电路的实际系统应用受到巨大阻碍。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种可以适用于薄膜微带工艺太赫兹单片电路的、具有良好性能的薄膜微带天线过渡探针结构。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种薄膜微带天线过渡探针结构，包括上腔体，下腔体和天线探针组合，上腔体与下腔体闭合后形成依次连接的矩形输入波导、过渡探针腔体和矩形输出波导；下腔体的中部设有凸台，天线探针组合安装在凸台之上，上腔体与凸台之间形成单片电路屏蔽腔，电磁信号从矩形输入波导输入，经过过渡探针腔体中的天线探针组合的处理后，从矩形输出波导输出。

优选地，所述天线探针组合包括从上到下依次布置的薄膜微带信号线金属层、薄膜微带介质层、薄膜微带地金属层、单片电路衬底层；薄膜微带信号线金属层中安装有天线上臂，薄膜微带地金属层中安装有天线下臂，单片电路衬底层中设有金属化通孔。

优选地，所述天线下臂包括矩形结构，矩形结构相对两侧的中部设有结构相同的左下折弯和右下折弯，左下折弯的一端和右下折弯的一端分别与矩形结构的两侧相连，左下折弯的另一端与右下折弯的另一端互相平行且延伸方向相反。

优选地，所述天线上臂的中间段设置有两个结构相同的天线阻抗匹配枝节，天线上臂的中间段与过渡探针腔体的轴线平行。

优选地，所述天线上臂两端设有左上折弯和右上折弯，左上折弯的延伸方向与右上折弯的延伸方向相反。

优选地，所述左上折弯的延伸方向与左下折弯的延伸方向相反，右上折弯的延伸方向与右下折弯的延伸方向相反。

优选地，所述单片电路衬底层的底部采用背金工艺，单片电路衬底层的底部与天线探针组合中左上折弯、右上折弯、左下折弯和右下折弯分别相对应的位置无背金。

优选地，所述天线探针组合的辐射方向与过渡探针腔体的轴线方向相同。

优选地，所述天线探针组合与下腔体键合。

优选地，所述过渡探针腔体的宽度大于矩形输入波导和矩形输出波导的宽度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的薄膜微带天线过渡探针结构的一致性优于传统的单片电路跳线封装过渡结构，且消除了传统结构在太赫兹波频段引入的传输不连续性，大幅提高太赫兹频段信号过渡性能。

(2)本发明的薄膜微带天线过渡探针结构适用于薄膜微带传输线形式的片上电路，无需进行微带线传输模式与共面波导传输模式的转换。

(3)本发明的薄膜微带天线过渡探针结构与片上电路集成，结构小巧不增加芯片体积，节约空间。

(4)本发明的薄膜微带天线过渡结构简洁紧凑，便于根据电路实际情况进行设计制造。

附图说明

图1是本发明薄膜微带过渡天线探针结构的结构示意图；

图2是本发明薄膜微带过渡天线探针结构的上腔体结构示意图；

图3是本发明薄膜微带过渡天线探针结构不含上腔体和天线探针组合的结构示意图；

图4是本发明薄膜微带过渡天线探针结构不含上腔体的结构示意图；

图5是本发明薄膜微带过渡天线探针结构的天线探针组合结构原理图；

图6是本发明薄膜微带过渡天线探针结构的天线上臂结构图；

图7是本发明薄膜微带过渡天线探针结构的天线下臂结构图；

附图标记说明：1、上腔体；2、下腔体；3、天线探针组合；4、矩形输入波导；5、矩形输出波导；6、过渡探针腔体；7、单片电路屏蔽腔；8、凸台；31、薄膜微带信号线金属层；32、薄膜微带介质层；33、薄膜微带地金属层；34、单片电路衬底层；35、天线上臂；36、天线下臂；301、左上折弯；302、天线阻抗匹配枝节；303、右上折弯；304、左下折弯；305、矩形结构；306、右下折弯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图4所示，本发明提供的一种薄膜微带天线过渡探针结构，包括上腔体1，下腔体2和天线探针组合3，上腔体1和下腔体2的内部开设有相同结构的条形槽，条形槽的中部宽度大于两端的宽度。上腔体1与下腔体2闭合后两条条形槽就形成了依次连接的矩形输入波导4、过渡探针腔体6和矩形输出波导5，过渡探针腔体6的宽度宽于矩形输入波导4和矩形输出波导5。

下腔体2的中部设有凸台8，天线探针组合3安装在下腔体2的凸台8之上，上腔体1与凸台8之间形成单片电路屏蔽腔7。天线探针组合3与下腔体2键合，天线探针组合3中的天线上臂35在上面，裸露在空气中。电磁信号从矩形输入波导4输入，经过过渡探针腔体6中的天线探针组合3的处理后，从矩形输出波导5输出。

在本实施例中，过渡探针腔体6的宽度宽于矩形输入波导4和矩形输出波导5，便于直接放置宽度不是很宽的天线探针组合3，下腔体2采用这种渐变的结构能降低过渡损耗。实际天线探针组合3的宽边有可能会远大于矩形输入波导4和矩形输出波导5的宽度，这种情况下需要将天线探针组合3中的输入输出部分的宽度减少，直到其宽度与矩形输入波导4和矩形输出波导5的宽度相近，以避免过渡腔体中的电磁波模式与输入输出波导中的电磁波模式相差过大。

如图5所示，天线探针组合3包括从上到下依次布置的薄膜微带信号线金属层31、薄膜微带介质层32、薄膜微带地金属层33、单片电路衬底层34；薄膜微带信号线金属层31上安装有天线上臂35，薄膜微带地金属层33上安装有天线下臂36。单片电路衬底层34中设有金属化通孔，金属化通孔用于提升本发明薄膜微带天线过渡探针结构的性能。在本实施例中，薄膜微带介质层32由苯并环丁烯制成。

如图6和图7所示，天线下臂36包括矩形结构305，矩形结构305相对两侧的中部设有结构相同的左下折弯304和右下折弯306，左下折弯304和右下折弯306的结构呈“l”形，左下折弯304的一端和右下折弯306的一端分别与矩形结构305的两侧相连，左下折弯304的另一端与右下折弯306的另一端互相平行且延伸方向相反。

天线上臂35的中间段设置有两个结构相同的天线阻抗匹配枝节302，天线上臂35的中间段与过渡探针腔体6的轴线平行。天线上臂35的两端设有左上折弯301和右上折弯303，天线上臂35的结构呈“z”字形，左上折弯301的延伸方向与右上折弯303的延伸方向相反，左上折弯301的延伸方向与右上折弯303的延伸方向分别与天线上臂35的中间段垂直。

左上折弯301的延伸方向与左下折弯304的延伸方向相反，右上折弯303的延伸方向与右下折弯306的延伸方向相反。

单片电路衬底层34的底部采用背金工艺，单片电路衬底层34中与左上折弯301、右上折弯303、左下折弯304和右下折弯306分别相对应的部分无背金。

通过调整天线上臂35与天线下臂36的长度，使天线探针组合3的辐射方向与过渡探针腔体6的轴线方向相同。当天线探针组合3的辐射的方向沿过渡探针腔体6的中轴线时，可以得到最优化的过渡性能。天线上臂35裸露于空气中而天线下臂36处于薄膜微带介质层32和单片电路衬底层34(如gaas或inp)之间，所以天线上臂35和天线下臂36所处环境的介电常数差异很大，天线上臂35与天线下臂36分别处于不同的层，且天线上臂35和天线下臂36的长度和宽度都是不同的，所以在具体实施例中天线上臂35可以视情况覆盖高介电常数低损耗介质层、钝化层用以平衡电磁场分布。

为了保证薄膜微带天线过渡探针结构的最大辐射方向与过渡探针腔体6的轴线尽量重合，在本实施例中的薄膜微带信号线金属层31与薄膜微带地金属层33之间的距离为5um，实际距离应根据具体情况而定，但是距离不能太大，否则会影响过渡结构性能。在性能要求不同的情况下也可以设计为具有一定距离，最终能使薄膜微带天线过渡探针结构最大辐射方向与过渡探针腔体6的轴线方向相近即可。

上腔体1与过渡探针腔体6对应的中心位置也可以加入类似下腔体2中凸台8的结构，用以提高整个薄膜微带天线过渡探针结构的矩形输入波导4端和矩形输出波导5端的隔离度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。