基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线的制作方法

本发明涉及一种微带天线，特别是一种基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线。

背景技术：

基于GaN加工工艺的天线易于与MMIC电路集成，可提高系统的集成度，从而减小芯片的整体尺寸及加工成本，因此成为近年来微波领域的研究热点之一。由于GaN加工工艺中衬底材料大部分是硅，硅的介电常数ε_r＝11.9，损耗角正切tanδ＝0.015。在微波天线设计中，天线所在基板的介电常数越低，天线的辐射性能越好，高介电常数不利于天线的辐射，再加上硅的损耗较大，很难得到较高的增益值。此外，GaN加工工艺中基板的厚度很薄，也不利于天线辐射。

由上可知，现有技术中较少涉及提高基于GaN加工工艺的微带天线增益的方法，通常使用的加载寄生贴片的方法会增大天线尺寸。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，它能显著提高天线在所需频率的增益值。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，包括矩形贴片天线、馈电微带线、一端接地的寄生贴片、寄生金属条带、接地金属柱、介质基板、探针测量所需的GSG结构和金属地板；

矩形贴片天线印制在介质基板的上表面中心，该天线采用插入馈电方式通过馈电微带线进行馈电，所述馈电微带线与矩形贴片天线的辐射边垂直，该馈电微带线的另一端与GSG结构相连，所述GSG结构位于介质基板的边缘，寄生金属条带与矩形贴片天线的非辐射边平行并关于馈电微带线所在直线对称，矩形贴片天线的另一个辐射边外侧设置一端接地的寄生贴片，该寄生贴片通过接地金属柱接地，介质基板的底部设置金属地板。

所述寄生金属条带的数量为偶数个，优选的数量为4。

介质基板是半导体材料，通过在衬底材料上生长半导体晶体形成，其介电常数ε_r为6.5～11.9，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。

矩形贴片天线的长L为0.43λ_g～0.47λ_g，宽W为0.55λ_g～0.85λ_g，其中λ_g为介质基 板的介质有效波长；一端接地的寄生贴片的长L₂为0.19λ_g～0.26λ_g，宽W₂为0.55λ_g～0.85λ_g，寄生金属条带的长L₁为0.45λ_g～0.52λ_g，宽W₁为0.05λ_g～0.08λ_g。

矩形贴片天线和一端接地的寄生贴片之间的缝隙宽度G₁为0.07λ_g～0.14λ_g，矩形贴片天线和寄生金属条带之间的缝隙宽度G₂为0.02λ_g～0.04λ_g，相邻两条矩形金属条带之间的缝隙宽度G₃为0.02λ_g～0.04λ_g。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，充分利用高介电常数的基板中，电场束缚在辐射天线周围的特点，在矩形微带天线的E面和H面方向上分别加入寄生贴片和寄生条带结构，使天线辐射得到显著提高，与普通微带天线相比，天线辐射增益提高了1.75dB。2)本发明提出的基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，E面加载的寄生贴片一端接地，可以将该寄生贴片的尺寸从0.5λ_g减小到0.25λ_g左右，H面加载的是寄生条带，尺寸较小。因此，加载寄生贴片和寄生条带提高天线增益的同时，任然保持天线整体结构的紧凑性，适用于天线阵列中。3)本发明提出的基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，金属结构都印制在同一金属层，结构简单，加工容易，成本较小，因而可以大规模生产。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第一组参数时的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。

图2为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第一组参数时的最大增益点处的电场强度分布图，其中图(a)为介质基板中的电场强度分布，图(b)为金属层的电场强度分布。

图3为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第一组参数时的反射系数和增益曲线。

图4为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第一组参数时最大增益点处的辐射方向图与普通微带天线的对比图，其中图(a)基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，图(b)为普通微带天线。

图5为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第二组参 数时的俯视图。

图6为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第二组参数时的反射系数和增益曲线。

图7为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第二组参数时最大增益点处的辐射方向图与普通微带天线的对比图，其中图(a)基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，图(b)为普通微带天线。

图8为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第三组参数时的俯视图。

图9为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第三组参数时的反射系数和增益曲线。

图10为本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线选取第三组参数时最大增益点处的辐射方向图与普通微带天线的对比图，其中图(a)基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，图(b)为普通微带天线。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，包括矩形贴片天线1、馈电微带线2、一端接地的寄生贴片3、寄生金属条带4、接地金属柱5、介质基板6、探针测量所需的GSG结构7和接地面8。

矩形贴片天线1印制在介质基板6的上表面中心，该天线采用插入馈电方式通过馈电微带线2进行馈电，所述馈电微带线2与矩形贴片天线1的辐射边垂直，该馈电微带线的另一端与GSG结构7相连，所述GSG结构7位于介质基板6的边缘，寄生金属条带4与矩形贴片天线1的非辐射边平行并关于馈电微带线2所在直线对称，矩形贴片天线1的另一个辐射边外侧设置一端接地的寄生贴片3，该寄生贴片3通过接地金属柱5接地，介质基板6的底部设置金属地板8。

所述寄生金属条带4的数量为偶数个，优选4个。

介质基板6是半导体材料，通过在衬底材料上生长半导体晶体形成，所述介质基板6的介电常数ε_r均为6.5～11.9，厚度H均为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。

所述矩形贴片天线1的长L为0.43λ_g～0.47λ_g，宽W为0.55λ_g～0.85λ_g，其中λ_g为介质基板6的介质有效波长；一端接地的寄生贴片3的长L₂为0.19λ_g～0.26λ_g，宽W₂为0.55λ_g～0.85λ_g，寄生金属条带4的长L₁为0.45λ_g～0.52λ_g，宽W₁为0.05λ_g～0.08λ_g。

所述矩形贴片天线1和一端接地的寄生贴片3之间的缝隙宽度G₁为0.07λ_g～0.14λ_g。矩形贴片天线1和寄生金属条带4之间的缝隙宽度G₂为0.02λ_g～0.04λ_g，相邻两条矩形金属条带4之间的缝隙宽度G₃为0.02λ_g～0.04λ_g。

下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。

实施例1

结合图1，该微带天线包括矩形贴片天线1、馈电微带线2、一端接地的寄生贴片3、寄生金属条带4、接地金属柱5、介质基板6、探针测量所需的GSG结构7和金属地板8。一端接地的寄生贴片3通过13根接地金属柱5与金属地板8相连。沿矩形贴片天线1非辐射边分别印制两条寄生金属条带4。其中矩形微带天线1的长L为0.68mm(0.47λ_g)，宽W为1.2mm(0.83λ_g)。一端接地的寄生贴片3的长L₂为0.38mm(0.26λ_g)，宽W₂为1.2mm(0.83λ_g)。寄生金属条带4的长L₁为0.75mm(0.52λ_g)，宽W₁为0.1mm(0.07λ_g)。矩形贴片天线1和一端接地的寄生贴片3之间的缝隙宽度G₁为0.2mm(0.14λ_g)，矩形微带天线1和寄生金属条带4之间的缝隙宽度G₂为0.03mm(0.02λ_g)，相邻两条矩形金属条带4之间的缝隙宽度G₃为0.03mm(0.02λ_g)。介质基板6由多层材料组成，从上往下依次是：厚度为2.16um的金，厚度为0.15um、介电常数为6.5的SiN，厚度为6.28um、介电常数为9.0的GaN，厚度为93.57um、介电常数为11.9的硅，厚度为2.16um的金。所述介质有效波长为1.45mm。

结合图2，高介电常数的薄介质基板中电场被束缚在金属周围，主辐射贴片和寄生贴片及寄生条带都谐振在增益最大点。

结合图3，基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，反射系数低于-10dB的工作频带为59.4GHz～62.06GHz，相对带宽为4.38％，最大增益可以达到3.14dBi。

结合图4，与基于GaN加工工艺的普通微带天线相比，寄生贴片加载型微带天线的辐射方向图变化不大，最大增益值增大了1.75dB。

由上可知，本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线可以增大所需频率的增益，有效地实现高增益辐射特性。

实施例2

结合图5，该微带天线包括矩形贴片天线1、馈电微带线2、一端接地的寄生贴片3、寄生金属条带4、接地金属柱5、介质基板6、探针测量所需的GSG结构7和金属地板8。一端接地的寄生贴片3通过13根接地金属柱5与金属地板8相连。沿矩形贴片天线 1非辐射边分别印制两条寄生金属条带4。其中矩形微带天线1的长L为0.67mm(0.46λ_g)，宽W为1.23mm(0.85λ_g)。一端接地的寄生贴片3的长L₂为0.3mm(0.2λ_g)，宽W₂为1.23mm(0.85λ_g)。寄生金属条带4的长L₁为0.65mm(0.45λ_g)，宽W₁为0.07mm(0.05λ_g)。矩形贴片天线1和一端接地的寄生贴片3之间的缝隙宽度G₁为0.1mm(0.07λ_g)，矩形微带天线1和寄生金属条带4之间的缝隙宽度G₂为0.03mm(0.02λ_g)，相邻两条矩形金属条带4之间的缝隙宽度G₃为0.03mm(0.02λ_g)。介质基板6由多层材料组成，从上往下依次是：厚度为2.16um的金，厚度为0.15um、介电常数为6.5的SiN，厚度为6.28um、介电常数为9.0的GaN，厚度为93.57um、介电常数为11.9的硅，厚度为2.16um的金。所述介质有效波长为1.45mm。

结合图6，基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，反射系数低于-10dB的工作频带为59.75GHz～60.85GHz，相对带宽为1.8％，最大增益可以达到4.54dBi。

结合图7，与基于GaN加工工艺的普通微带天线相比，寄生贴片加载型微带天线的辐射方向图变化不大，最大增益值增大了1.32dB。

由上可知，本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线可以增大所需频率的增益，有效地实现高增益辐射特性。

实施例3

结合图8，该微带天线包括矩形贴片天线1、馈电微带线2、一端接地的寄生贴片3、寄生金属条带4、接地金属柱5、介质基板6、探针测量所需的GSG结构7和金属地板8。一端接地的寄生贴片3通过接地金属柱5与金属地板8相连。沿矩形贴片天线1非辐射边分别印制两条寄生金属条带4。其中矩形微带天线1的长L为0.62mm(0.43λ_g)，宽W为0.8mm(0.55λ_g)。一端接地的寄生贴片3的长L₂为0.27mm(0.19λ_g)，宽W₂为0.8mm(0.55λ_g)。寄生金属条带4的长L₁为0.75mm(0.52λ_g)，宽W₁为0.12mm(0.08λ_g)。矩形贴片天线1和一端接地的寄生贴片3之间的缝隙宽度G₁为0.15mm(0.1λ_g)，矩形微带天线1和寄生金属条带4之间的缝隙宽度G₂为0.06mm(0.04λ_g)，相邻两条矩形金属条带4之间的缝隙宽度G₃为0.06mm(0.04λ_g)。介质基板6由多层材料组成，从上往下依次是：厚度为2.16um的金，厚度为0.15um、介电常数为6.5的SiN，厚度为6.28um、介电常数为9.0的GaN，厚度为93.57um、介电常数为11.9的硅，厚度为2.16um的金。所述介质有效波长为1.45mm。

结合图9，基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线，反射系数低于-10 dB的工作频带为59.6GHz～60.65GHz，相对带宽为1.7％，最大增益可以达到3.99dBi。

结合图10，与基于GaN加工工艺的普通微带天线相比，寄生贴片加载型微带天线的增益大大提高，最大增益值增大了5.41dB。

由上可知，本发明基于GaN加工工艺的寄生贴片加载型高增益微带天线可以增大所需频率的增益，有效地实现高增益辐射特性。