一种射频微机电微带天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种射频微机电微带天线。

背景技术：

随着通信技术的不断发展，电磁波从低频和高频范围逐渐发展到了射频和微波范围。传统的天线技术，如喇叭天线、对数周期天线、卡塞格伦天线、八木天线、反射面天线在使用时，存在体积大、剖面高度高、安装结构大等问题，而基于半导体基板的微带天线相比于传统的天线，具有低剖面、小体积、易集成等优点，所以，基于半导体基板的微带天线被越来越多地应用在卫星通信、移动通信等领域。

基于半导体基板的微带天线，指在介质基片的一个面上制作出金属辐射贴片，在另一个面上制作出金属发射面，并通过通孔的方式在基板上形成天线馈电点。现有技术中，微带天线的基板通常采用pcb印制板，存在毫米波波段工艺加工精度低、损耗高、线条和孔可加工的尺寸大等问题。高介电常数半导体基板，如玻璃、硅等，具有表面光滑、毫米波损耗角正切低的优点，采用mems技术在这些基板上打孔，具有精度高、毫米波损耗低的优势。

但是由于玻璃、硅等基板的介电常数比pcb印制板大，因此会导致低剖面微带天线增益的降低，带宽的减小。同时，为了抑制多径效应，通信领域所使用的天线大多为圆极化天线，高介电常数基板导致阵列天线产生表面波效应，恶化阵列天线轴比。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种射频微机电微带天线，其具有低剖面、高增益、高带宽的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种射频微机电微带天线，其包括金属外框以及位于金属外框内部的矩形布阵的微带天线单元，所述微带天线单元从上到下包括第一转接板、第二转接板和第三转接板；

所述第一、第二、第三转接板上均设有包围各自转接板中心区域的金属屏蔽结构，第一、第二转接板上的金属屏蔽结构包括分别位于转接板正反两面的各一个金属屏蔽圈，以及围绕转接板中心区域分布且连接正反两面金属屏蔽圈的多个金属填充屏蔽孔，第三转接板上的金属屏蔽结构包括位于转接板正面的金属屏蔽圈，以及围绕转接板中心区域分布且与正面金属屏蔽圈连接的多个金属填充屏蔽孔，第一、第二转接板之间以及第二、第三转接板之间均通过bga互连结构实现金属屏蔽结构的垂直互连；

所述第一转接板的正面中心区域设有第一辐射贴片；

所述第二转接板的中心区域设有矩形排布的多个空气孔，在第二转接板的正面或背面中心区域内，还设有围绕空气孔排布区域的多个寄生贴片；

所述第三转接板的正面中心区域设有第二辐射贴片，背面设有反射面，所述反射面覆盖第三转接板金属填充屏蔽孔的分布区域并与这些金属填充屏蔽孔电连接，所述反射面上具有馈电镂空区域；第三转接板的中心区域内设有馈电孔和接地孔，所述馈电孔的上端与第二辐射贴片连接，馈电孔的下端露出于所述馈电镂空区域内，所述接地孔分别与第二辐射贴片和反射面连接。

具体的，所述寄生贴片共有四个，且一一位于第二转接板背面空气孔排布区域的四条边处。

具体的，所述第一、第二或第三转接板的中心区域为正方形、圆形或椭圆形，所述馈电镂空区域为正方形、圆形或椭圆形。

具体的，所述第二辐射贴片的相位中心、第三转接板中心区域的几何中心以及所述接地孔三者位置重合，所述馈电孔位于所述馈电镂空区域的几何中心处。

具体的，所述金属外框内各微带天线单元的第一、第二或第三转接板为一块整板，该整板一面内各微带天线单元的金属屏蔽圈彼此连通，使得这一面内除各微带天线单元的中心区域外，其他区域均被金属屏蔽材料全面覆盖或以网格图案方式覆盖。

具体的，所述第一辐射贴片、第二辐射贴片或任一寄生贴片的形状为圆形、椭圆形或多边形。

具体的，所述第一、第二或第三转接板的材质为硅、砷化镓、石英或光敏玻璃。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1、本发明微带天线在第二转接板上设置有空气孔，该空气孔位于第一辐射贴片与第二辐射贴片的中间，增大了第一辐射贴片与第二辐射贴片之间的空气缝隙，降低了第二转接板的有效介电常数，从而可以增大天线的带宽。此外，空气孔还降低了第一辐射贴片后向辐射的介质损耗，从而增强了天线的增益。

2、本发明微带天线在第二转接板空气孔排布区域的周围设置了寄生贴片，这些寄生贴片与第一辐射贴片和第二辐射贴片形成了lc谐振电路，从而可以进一步扩展天线带宽。

3、传统的微带天线带宽只有4%，若增大天线带宽，必须增大天线基板厚度，导致天线剖面高度高。本发明通过在两个辐射贴片间的转接板上设置空气孔的方式，降低了基板的等效介电常数，提高了天线带宽，同时，设置寄生贴片进一步增强天线带宽，从而可以在保持低剖面的前提下，实现天线的宽带性能。

总之，本发明具有低剖面、高增益、高带宽的特点，可以解决高介电常数半导体基板低剖面微带天线带宽窄、增益低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中射频微机电微带天线的整体结构示意图；

图2为图1中一个微带天线单元的侧视图；

图3为图1中第一转接板的正面结构示意图；

图4为图1中第一转接板的背面结构示意图；

图5为图1中第二转接板的正面结构示意图；

图6为图1中第二转接板的背面结构示意图；

图7为图1中第三转接板的正面结构示意图；

图8为图1中第三转接板的背面结构示意图。

图中：1、第一转接板；2、第二转接板；3、第三转接板；4、微带天线单元；5、第一金属屏蔽圈；6、第二金属屏蔽圈；7、第三金属屏蔽圈；8、第四金属屏蔽圈；9、第五金属屏蔽圈；10、反射面；11、第一bga互连结构；12、第二bga互连结构；13、第一金属填充屏蔽孔；14、第二金属填充屏蔽孔；15、第三金属填充屏蔽孔；16、第一辐射贴片；17、第二辐射贴片；18、馈电孔；19、接地孔；20、金属外框；21、空气孔；22、第一寄生贴片；23、第二寄生贴片；24、第三寄生贴片；25、第四寄生贴片。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案做进一步的清楚、完整的描述。显然，下面的具体实施方式仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于下述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～8所示，一种射频微机电微带天线，其包括金属外框20以及位于金属外框20内部的矩形布阵的微带天线单元4，所述微带天线单元4从上到下包括第一转接板1、第二转接板2和第三转接板3；

所述第一、第二、第三转接板上均设有包围各自转接板中心区域的金属屏蔽结构，第一、第二转接板上的金属屏蔽结构包括分别位于转接板正反两面的各一个金属屏蔽圈5、6、7、8，以及围绕转接板中心区域分布且连接正反两面金属屏蔽圈的多个金属填充屏蔽孔13、14，第三转接板上的金属屏蔽结构包括位于转接板正面的金属屏蔽圈9，以及围绕转接板中心区域分布且与正面金属屏蔽圈连接的多个金属填充屏蔽孔15，第一、第二转接板之间以及第二、第三转接板之间均通过bga互连结构11、12实现金属屏蔽结构的垂直互连；

所述第一转接板1的正面中心区域设有第一辐射贴片16；

所述第二转接板2的中心区域设有矩形排布的多个空气孔21，在第二转接板的正面或背面中心区域内，还设有围绕空气孔21排布区域的多个寄生贴片22、23、24、25；

所述第三转接板3的正面中心区域设有第二辐射贴片17，背面设有反射面10，所述反射面覆盖第三转接板金属填充屏蔽孔的分布区域并与这些金属填充屏蔽孔电连接，所述反射面上具有馈电镂空区域；第三转接板的中心区域内设有馈电孔18和接地孔19，所述馈电孔18的上端与第二辐射贴片17连接，馈电孔18的下端露出于所述馈电镂空区域内，所述接地孔19分别与第二辐射贴片17和反射面10连接，所有贴片均为金属片。

具体来说，第一金属屏蔽圈5和第二金属屏蔽圈6分别位于所述第一转接板1的正上方和正下方，第一金属填充屏蔽孔13位于第一转接板中；

第三金属屏蔽圈7和第四金属屏蔽圈8分别位于所述第二转接板2的正上方和正下方，所述第二金属填充屏蔽孔14位于第二转接板中；

第五金属屏蔽圈9和反射面10分别位于所述第三转接板3的正上方和正下方，第三金属填充屏蔽孔15位于第三转接板中；

第一bga互连结构11位于第一转接板1和第二转接板2中间，焊接面分别为第二金属屏蔽圈6和第三金属屏蔽圈7；

第二bga互连结构12位于第二转接板2和第三转接板3中间，焊接面分别为第四金属屏蔽圈8和第五金属屏蔽圈9。

具体的，所述寄生贴片共有四个，且一一位于第二转接板背面空气孔排布区域的四条边处。

具体的，所述第一、第二或第三转接板的中心区域为正方形、圆形或椭圆形，所述馈电镂空区域为正方形、圆形或椭圆形。优选的，第一、第二或第三转接板的中心区域为正方形，馈电镂空区域为圆形。

具体的，所述第二辐射贴片的相位中心、第三转接板中心区域的几何中心以及所述接地孔三者位置重合，所述馈电孔位于所述馈电镂空区域的几何中心处。这样设置可以保证天线具有较好的性能。

具体的，所述金属外框内各微带天线单元的第一、第二或第三转接板为一块整板，该整板一面内各微带天线单元的金属屏蔽圈彼此连通，使得这一面内除各微带天线单元的中心区域外，其他区域均被金属屏蔽材料全面覆盖或以网格图案方式覆盖。

具体的，所述第一辐射贴片、第二辐射贴片或任一寄生贴片的形状为圆形、椭圆形或多边形。优选的，第一辐射贴片、第二辐射贴片或任一寄生贴片的形状均为圆形。

具体的，所述第一、第二或第三转接板的材质为硅、砷化镓、石英或光敏玻璃。

本发明实施例中的转接板材料可以是硅、砷化镓、石英、光敏玻璃等材料。转接板的高介电常数导致了第一辐射贴片后向介质损耗的增大，造成了天线增益的降低；而转接板自身相对较薄的厚度，导致了带宽的减小。因此，本发明实施例中微带天线的带宽与转接板的厚度成反比，微带天线的增益与转接板的厚度成正比。为了获得较好的天线性能，应保证微带天线单元的厚度不超过1mm。

本发明实施例中，第一金属屏蔽圈5的厚度可以高于第一辐射贴片16；同时，为了保证天线性能，第一辐射贴片16应当尽可能远离第一金属屏蔽圈5，并位于第一金属屏蔽圈5的中心位置。

本发明微带天线中，第二转接板2和空气孔21的存在，增大了第一辐射贴片与第三辐射贴片之间的空气缝隙，降低了微带天线的有效介电常数，增大了天线带宽，同时降低了第一辐射贴片16后向辐射的介质损耗，提高了天线的增益。同时，第二转接板2上设置有第一寄生贴片22、第二寄生贴片23、第三寄生贴片24、第四寄生贴片25，其可与第一辐射贴片16、第二辐射贴片17形成lc谐振电路，进一步扩展了天线带宽。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。