一种与芯片键合的宽带贴片天线的制作方法

本发明涉及微波与毫米波天线技术领域，具体涉及一种与芯片键合的宽带贴片天线。

背景技术：

由于金属键合线引入的高电感值，输入端匹配良好的宽带天线在与芯片键合之后会出现严重的失配问题。该额外引入的电感值主要由键合线的长度和直径决定，并且通常是难以降低的，为了补偿该电感值，通常采用在传输线或者天线上设置容性结构的方法，使得天线在输入端呈现高容性阻抗。

但是这些方法很难在较宽带宽内补偿键合线引入的电感，并且额外引入的容性结构会对天线的性能造成一定负面影响，因此这些天线通常是窄带的。这大大限制了整个通信系统的带宽和传输速率等性能。

所以，需要一个新的技术方案来解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种与芯片键合的宽带贴片天线结构，其能够在较宽带宽内补偿金属键合线引入的高电感，同时保持天线的良好辐射性能，并且不会对天线的性能造成负面影响。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种与芯片键合的宽带贴片天线，包括由上往下依次设置的第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构包括主辐射贴片、若干个容性贴片、侧地；所述第二层结构包括介质基板，所述介质基板上设有基片集成波导腔体，所述基片集成波导腔体的顶部开设有容纳槽，所述主辐射贴片和容性贴片位于容纳槽内；所述第三层结构包括金属下地；馈电结构的一端连接着主辐射贴片，另一端通过金属键合线连接着芯片。

进一步地，本发明的天线结构设计，可采用两种馈电方式，其具体如下：

一、所述馈电结构包括一个接地共面波导，所述接地共面波导设置在第一层结构上，所述接地共面波导的一端直接连接着主辐射贴片，另一端通过金属键合线连接着芯片，此时第三层结构为一整块无任何开槽或者开孔的金属下地。

二、所述馈电结构包括两个接地共面波导分别为上接地共面波导和下接地共面波导，所述上接地共面波导和下接地共面波导分别设置在第一层结构和第三层结构上，所述下接地共面波导的一端通过第一金属化通孔连接着主辐射贴片用于馈电，为保证键合结构与天线处于同一平面，另一端通过第二金属化通孔连接着上接地共面波导，所述上接地共面波导通过金属键合线连接着芯片。

进一步地，所述主辐射贴片上开设有沿着主辐射贴片电流方向的主槽，该槽的设置干扰了主辐射贴片上的电流，从而形成额外的谐振点扩展带宽。

进一步地，根据容性贴片上具体电流分布情况，所述容性贴片上开设有沿着主辐射贴片电流方向的容性槽，该槽切断了容性贴片上垂直于天线e面方向的电流，从而提升了天线的辐射性能。同时该槽改变了贴片上的电流路径，对带宽的展宽具有一定作用。

进一步地，所述第一层结构上的接地共面波导具备中心导带，所述中心导带呈锥形渐变或倒锥形渐变，该渐变结构可以微调馈线的阻抗，从而可以更好地与键合线匹配；所述中心导带的两侧与侧地直接相连，此时键合结构处中心导带与侧地形成额外的电容结构，能够再次提升天线的输入电容。

进一步地，所述中心导带在接地共面波导采用第一种或者第二种馈电方式时进行馈电前，中心导带的形状存在阶跃变化，宽度变大或变小。馈线中心导带宽度的变化可以微调馈线的阻抗，从而更好的实现了馈线与天线的良好匹配。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、主辐射贴片周围的若干个容性贴片与下地之间形成平板电容，容性贴片与主辐射贴片之间、容性贴片与侧地之间、容性贴片与容性贴片之间形成电容结构，这些电容结构大大增大了天线的容性，从而能够在较宽频率内抵消金属键合线引入的电感值，从而解决了传统宽带天线与芯片键合后阻抗失配、带宽减小等性能恶化问题，在实际工程应用中具有极高的应用价值。

2、容性贴片的数量不固定，可以根据需要的电容值增加或减少数量，一般来说，贴片的数量越多、面积越大、相互距离越小，容性越高，另外容性贴片的形状不固定，可以根据具体的天线形式改变，具有很高的设计灵活度。

3、这些容性贴片对主辐射贴片本身的性能并无显著不利影响，同时不要求对天线本身的参数、设计做出显著改动，天线主辐射贴片部分与容性贴片部分可分别设计，天线设计流程简单。

附图说明

图1为使用第一种馈电方法的宽带贴片天线立体示意图；

图2为使用第一种馈电方法的宽带贴片天线俯视图；

图3为使用第一种馈电方法的宽带贴片天线侧视图；

图4为使用第一种馈电方法的宽带贴片天线仿真结果图；

图5为使用第二种馈电方法的宽带贴片天线立体示意图；

图6为使用第二种馈电方法的宽带贴片天线俯视图；

图7为使用第二种馈电方法的宽带贴片天线侧视图；

图8为使用第二种馈电方法的宽带贴片天线仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例1：

如图1～图3所示，宽带贴片天线包括由上往下依次设置的第一层结构、第二层结构和第三层结构，第一层结构包括主辐射贴片1、四个容性贴片2、侧地3，其中四个容性贴片2均为矩形结构；第二层结构包括介质基板10，介质基板10上设有基片集成波导腔体4，基片集成波导腔体4的顶部开设有容纳槽41，主辐射贴片1和四个容性贴片2均位于容纳槽41内，其中四个容性贴片2两两分布在主辐射贴片1两侧并与侧地3相近；第三层结构包括金属下地12。

本实施例的天线结构中馈电结构包括两个接地共面波导分别为上接地共面波导5和下接地共面波导8，上接地共面波导5和下接地共面波导8分别设置在第一层结构和第三层结构上，其中下接地共面波导8的一端通过第一金属化通孔6连接着主辐射贴片1用于馈电，为保证键合结构与天线处于同一平面，另一端通过第二金属化通孔13连接着上接地共面波导5，上接地共面波导5通过金属键合线7连接着芯片11。

本实施例中主辐射贴片1上开设有沿着主辐射贴片1电流方向的两个主槽，该槽的设置干扰了主辐射贴片1上的电流，从而形成额外的谐振点扩展带宽；上接地共面波导5的中心导带9呈倒锥形渐变，宽度逐渐由宽变窄，中心导带9的两侧与侧地3直接相连，此时中心导带9位于键合处的部分与侧地3形成额外的电容结构；四个容性贴片2的位置与主辐射贴片1并不位于同一中心线上，容性贴片2沿着主辐射贴片1电流方向有一定位移，该位移的距离由具体的天线结构及电流分布决定。

这样在本实施例的宽带贴片天线结构中主辐射贴片1周围的四个容性贴片2与金属下地12之间形成平板电容，容性贴片2与主辐射贴片1之间、容性贴片2与侧地3之间、容性贴片2与容性贴片2之间形成电容结构，这些电容结构大大增大了天线的容性，从而能够在较宽频率内抵消金属键合线7引入的电感值。

下接地共面波导8在给主辐射贴片1馈电前，其中心导带的宽度存在一阶跃变化，宽度由小变大，中心导带宽度的变化可以微调下接地共面波导8的阻抗，实现给天线的良好馈电。

本实施例的天线仿真结果如图4所示，可以看到本实施例的天线能够在55ghz-67.5ghz频带内实现较好匹配，s11均在-10db以下。同时天线在频带内保持良好辐射，天线带宽为20％，天线在与芯片键合后仍然保持着宽带的特性，与传统e型贴片天线相比带宽甚至得到了展宽。

实施例2：

如图5～图7所示，宽带贴片天线包括由上往下依次设置的第一层结构、第二层结构和第三层结构，第一层结构包括主辐射贴片1、四个容性贴片2、侧地3，其中四个容性贴片2均为矩形结构且沿着主辐射贴片1的电流方向开设有容性槽21；第二层结构包括介质基板10，介质基板10上设有基片集成波导腔体4，基片集成波导腔体4的顶部开设有容纳槽41，主辐射贴片1和四个容性贴片2均位于容纳槽41内，其中四个容性贴片2两两分布在主辐射贴片1两侧并与侧地3相近；第三层结构包括金属下地12。

本实施例的天线结构中馈电结构包括一个接地共面波导5，接地共面波导5设置在第一层结构上，具体是基片集成波导腔体4的侧部设置有与接地共面波导5相配合的窗口，接地共面波导5通过窗口其一端直接连接着主辐射贴片1，另一端通过金属键合线7连接着芯片11，第三层结构为一整块无任何开槽或者开孔的金属下地12，没有任何裸露。

本实施例中主辐射贴片1上开设有沿着主辐射贴片1电流方向的两个主槽，该槽的设置干扰了主辐射贴片1上的电流，从而形成额外的谐振点扩展带宽；接地共面波导5的中心导带9呈倒锥形渐变，宽度逐渐由宽变窄，中心导带9的两侧与侧地3直接相连，此时中心导带9位于键合处的部分与侧地3形成额外的电容结构；四个容性贴片2的位置与主辐射贴片1并不位于同一中心线上，容性贴片2沿着主辐射贴片1电流方向有一定位移，该位移的距离由具体的天线结构及电流分布决定。

这样在本实施例的宽带贴片天线结构中主辐射贴片1周围的四个容性贴片2与金属下地12之间形成平板电容，容性贴片2与主辐射贴片1之间、容性贴片2与侧地3之间、容性贴片2与容性贴片2之间形成电容结构，这些电容结构大大增大了天线的容性，从而能够在较宽频率内抵消金属键合线7引入的电感值。

接地共面波导5在给主辐射贴片1馈电前，其中心导带9的宽度存在一阶跃变化，宽度由小变大，中心导带9宽度的变化可以微调接地共面波导5的阻抗，实现给天线的良好馈电。

本实施例的天线仿真结果如图8所示，可以看到本实施例的天线能够在55ghz-64ghz频带内实现较好匹配，s11均在-10db以下，同时天线在55ghz-62.5ghz频带内保持良好辐射，天线带宽为12.5％，本实施例天线在63.5ghz频率左右天线增益有一定下降，这是因为天线辐射在主瓣方向有一定偏移，在天线组阵后可解决这一问题。本实施例第三层结构无任何开孔开槽，便于与电路集成或者实现共型。