CN110600874A - 一种基于ltcc的液晶可编程相控阵天线和工艺流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线和工艺流程，利用低温共烧陶瓷作为基板材料，液晶作为介质材料，采用二阶分形天线缩小天线尺寸和重量，增加电容枝节增加带宽，并应用于辐射贴片中，该辐射贴片中的第二液晶腔可提高阵列天线增益，采用弯折线的方式将液晶移相网络模块集成于所述天线中，位于所述辐射贴片下方，而该液晶移相网络模块中的第一液晶腔可实现波束扫描，增强天线的抗干扰能力，多个单元结构级联可实现宽波束扫描功能，最后对基板材料的工艺流程进行优化，将二次对位冲制空腔调整至叠片前进行，填孔、印刷烘干更改为净化间内自然晾干，在填孔干燥后引入了通孔减薄工序，增加系统的集成度、可靠度，进一步减小尺寸。

Description

一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线和工艺流程

技术领域

本发明涉及天线技术技术领域，尤其涉及一种基于LTCC的液晶可编程相控阵设计。

背景技术

目前，许多应用于毫米波系统的有源、无源电子器件在小型化方面取得了巨大的进步，而天线往往成为整个系统中最为笨重的部件，传统相控阵天线体积大、增益低、带宽窄以及馈电网络复杂，机械式波束扫描且扫描角度小，这成为了限制毫米波设备小型化和集成化的一大瓶颈，不能在满足毫米波系统电性能指标的基础上，尽可能提高毫米波天线与系统的集成水平，并减小天线的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线和工艺流程，可使在满足毫米波系统电性能指标的基础上，减小天线体积和重量的同时提高集成化水平。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，所述基于LTCC的液晶可编程相控阵天线控阵天线单元、液晶移相网络模块、相控阵模块、直线阵模块和分形天线，材料包括低温共烧陶瓷和液晶，所述低温共烧陶瓷作为基板材料，所述液晶作为介质材料，所述相控阵天线单元采用所述分形天线，用二阶分形形式应用于所述辐射贴片中，所述液晶移相网络模块通过弯折线的方式集成于所述相控阵天线单元中，所述直线阵模块将多个所述相控阵天线单元结构级联，所述辐射贴片和所述液晶移相网络模块集成于所述相控阵模块，且所述辐射贴片位于所述液晶移相网络模块上方。

其中，所述辐射贴片包括第一介质基板、第二介质基板、第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述介质基板与所述第一辐射贴片连接，且位于所述第一辐射贴片下方，所述第二介质基板与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接，且所述第二介质基板位于所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接之间。

其中，所述第一介质基板具有第二液晶腔，所述第二液晶腔位于所述第一介质基板中。

其中，所述相控阵天线单元还包括电容枝节，所述分形贴片和所述电容枝节电性连接，所述电容枝节位于所述分形贴片四周，并位于所述辐射贴片中。

其中，所述开展液晶移相网络模块包括弯折线液晶移相器和相移单元，所述相移单元位于所述弯折线液晶移相器中。

其中，所述液晶移相网络模块包括第一金属板、第二金属板、第三介质基板、第四介质基板和弯折线移相器，所述第一金属板和所述第三介质基板相连，并位于所述第三介质基板下方，所述第三介质基板和所述弯折线移相器相连，所述弯折线移相器和所述第四介质基板相连，所述弯折线移相器位于所述第三介质基板和所述第四介质基板之间，所述第四介质基板和所述第二金属板相连，所述第二金属板位于所述第四介质基板上方。

其中，所述第三介质基板具有第一液晶腔，所述第一液晶腔位于所述第三介质基板中。

第二方面，本发明提供一种工艺流程，应用于低温共烧陶瓷技术，其中，所述优化的工艺流程包括：

进行生瓷片的下料、脱膜和老化；

在所述老化后的生瓷片上进行冲孔、填孔、通孔晾干和通孔减薄；

进行印刷、印刷晾干、二次对位冲制空腔、叠片和真空包封工艺；

真空包封好后对其进行温水层压、热切、排胶烧结工艺；

经过后印、后烧工艺后切割成型；

最后进行通断测试及外形尺寸测试。

本发明提供的了一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线和工艺流程，采用二阶分形天线将相控阵天线单元尺寸缩小，增加电容枝节从而增加带宽，该辐射贴片中的第二液晶腔使相控阵阵间距可控，从而更好地调控电磁波，提高阵列天线增益，利用该天线单元，采用满足天线单元之间阵间距要求的弯折线的方式，将液晶移相网络模块集成于所述天线中，而该液晶移相网络模块中的第一液晶腔可对相控阵实现波束扫描，增强相控阵天线的抗干扰能力，多个单元结构级联，满足亚波长周期性排布，保证波束大角度扫描时无栅瓣，实现了宽波束扫描功能，最后对基板的工艺流程，将二次对位冲制空腔调整至叠片前进行，填孔、印刷烘干更改为净化间内自然晾干，对于通孔鼓凸问题，在填孔干燥后引入了通孔减薄工序，增加了集成度和可靠度同时减小了天线的尺寸和重量。

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是本发明提供的基于LTCC的液晶可编程相控阵天线的结构示意图。

图2是本发明提供的辐射贴片结构示意图。

图3是本发明提供的相控阵天线单元结构示意图。

图4是本发明提供的液晶移相网络模块示意图。

图5是本发明提供的工艺流程步骤图。

图6是本发明提供的优化前的工艺流程图。

图7是本发明提供的优化后的工艺流程图。

101-辐射贴片、102-相控阵天线单元、103-直线阵模块、104-液晶移相网络模块、105-相控阵模块、1021-分形天线、1022-电容枝节、1041-弯折线移相器、1011-第一介质基板、1012-第二液晶腔、1013-第一辐射贴片、1014-第二介质基板、1015-第二辐射贴片、1042-第一金属板、1043-第一液晶腔、1044-第三介质基板、1045-第四介质基板、1046-第二金属板、1047-第一金属板上缝隙。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供的基于LTCC的液晶可编程相控阵天线的结构示意图，包括相控阵天线单元102、辐射贴片101、液晶移相网络模块104、直线阵模块103、相控阵模块105和分形天线1021，材料包括低温共烧陶瓷和液晶，所述低温共烧陶瓷作为基板材料，所述液晶作为介质材料，所述相控阵天线单元102采用所述分形天线1021，用二阶分形形式应用于所述辐射贴片101中，所述液晶移相网络模块104通过弯折线的方式集成于所述相控阵天线单元102中，所述直线阵模块103将多个所述相控阵天线单元102结构级联，所述辐射贴片101和所述液晶移相网络模块104集成于所述相控阵模块105，且所述辐射贴片101位于所述液晶移相网络模块104上方。

在本实施例中，采用二阶所述分形天线1021的形式将所述相控阵天线单元102应用与所述辐射贴片101中，缩小天线尺寸和重量，所述相控阵天线单元102的上下左右四个方向上增加4个电容枝节，进一步增加带宽，将多个所述相控阵天线单元102结构级联，所述直线阵模块103将所述相控阵天线单元102之间满足亚波长周期性排布，所述液晶移相网络模块104通过所述弯折线移相器1041集成于所述相控阵天线单元102中，所述液晶移相网络模块104和所述辐射贴片101集成为所述相控阵105，所述液晶移相网络模块104位于所述辐射贴片101的下方，并将低温共烧陶瓷作为基板材料，液晶作为介质材料，可提高该天线的集成度与可靠度。

参见图2，所述辐射贴片101包括第一介质基板1011、第二介质基板1014、第一辐射贴片1013和第二辐射贴片1015，所述第一介质基板1011与所述第一辐射贴片1013连接，且位于所述第一辐射贴片1013下方，所述第二介质基板1014位于所述第二辐射贴片1015与带有缝隙的第一金属板1042之间，且所述第二介质基板1014挖空，来形成所述第二液晶腔1012。

在本实施例中，所述辐射贴片101的底部为所述第一介质基板1011，所述第一辐射贴片1013和所述第二辐射贴片1015之间是所述第一介质基板1011，所述基板材料为FerroA6m2。

其中，所述第二介质基板1014具有第二液晶腔1012，所述第二液晶腔1012位于所述第二介质基板1014中.

在本实施例中，如图2所述，将所述第二介质基板1014中间掏空，作为所述第二液晶腔1012，所述第二液晶腔1012位于所述第二辐射贴片1015下层，充当编码开关，将第三介质基板1044中间挖空，作为第一液晶腔1043，通过电调谐改变第二液晶层的等效介电常数来使天线谐振点偏移来控制单元辐射，使相控阵阵间距可控，从而更好地调控电磁波，提高阵列天线增益。

参见图3，所述相控阵天线单元102包括分形天线1021和电容枝节1022，所述分形天线1021和所述电容枝节1022电性连接，所述电容枝节1022位于所述分形天线1021四周，并位于所述辐射贴片101中。

在本实施例中，所述分形天线1021采用二阶分形形式集成于所述相控阵天线单元102中，缩小所述相控阵天线单元102的尺寸和重量，在所述相控阵天线单元102的上下左右四个方向上增设4个电容枝节，可进一步增加带宽，所述相控阵天线单元102应用与所述辐射贴片101中。

参见图4，所述液晶移相网络模块104包括弯折线液晶移相单元1041和第一液晶腔1043，所述相移单元1041位于所述第一液晶腔1043下面。

其中，所述液晶移相网络模块104包括第一金属板1042、第二金属板1046、第三介质基板1044、第四介质基板1045和弯折线移相器1041，所述第一金属板1042和所述第三介质基板1044相连，并位于所述第三介质基板1044下方，所述第三介质基板1044和所述弯折线移相器1041相连，所述弯折线移相器1041和所述第四介质基板1045相连，所述第三介质基板1044中间挖空，形成所述第一液晶腔1043，所述弯折线移相器1041位于所述第三介质基板1044和所述第四介质基板1045之间，所述第四介质基板1045和所述第二金属板1046相连，所述第二金属1046板位于所述第四介质基板1045上方，所述第一金属板1042中间蚀刻出所述缝隙结构1047。

在本实施例中，所述液晶移相网络模块104包括第一金属板1042、第二金属板1046、第三介质基板1044、第四介质基板1045和弯折线移相器1041，从下到上依次是所述第一金属板1042、第三介质基板1044、弯折线移相器1041、第四介质基板1045和第二金属板1046，所述基板材料均为Ferro A6m2。

其中，所述第三介质基板1044具有第一液晶腔1043，所述第一液晶腔1043位于所述第三介质基板1044中。

在本实施例中，将所述第三介质基板1044中间掏空，作为所述第一液晶腔1043，所述第一液晶腔1043可作为液晶电调谐移相网络，通过电调谐改变液晶等效介电常数控制相位，对所述相控阵105实现波束扫描，增强所述相控阵天线102的抗干扰能力。

参见图5，是本发明提供的一种优化后的工艺流程步骤图，应用于低温共烧陶瓷技术，包括以下步骤：

S501、进行生瓷片的下料、脱膜和老化。

具体的，将所述生瓷片经过下料、脱模后进行老化处理，使所述瓷片达到后续工艺的要求。

S502、在所述老化后的生瓷片上进行冲孔、填孔、通孔晾干和通孔减薄。

具体的，在所述老化后的瓷片上进行冲孔，孔径定位的精度将直接影响集成于其上的器件的射频特性，之后进行填孔和在净化间内的自然晾干，晾干后进行通孔减薄工序，并评估了通孔减薄工序造成的层间偏移，约在±5μm内可接受这误差。

S503、进行印刷、印刷晾干、二次对位冲制空腔、叠片和真空包封工艺。

具体的，对经过通孔减薄后的瓷片上进行印刷，将印刷后的瓷片放在净化间内自然晾干，接着进行二次对位冲制空腔，将所述第一介质基板1011和所述第三介质基板1044的中间掏空，加入液晶。然后进行叠片，对于所述第一介质基板1011的叠片工艺是将所述第一辐射贴片1013、第二介质基板1014和所述第二辐射贴片1015一次叠放在所述第一介质基板1011上，组成所述辐射贴片101；对于所述第三介质基板1044的工艺是将所述第一金属板1042放于所述第三介质基板1044的下方，然后依次将所述弯折线移相器1041、所述第四介质基板1045和所述第二金属板1046放于所述第三介质基板1044的上方，然后进行叠片工艺，组成所述液晶移相网络模块104，之后进行真空包封工艺。

S504、真空包封好后对其进行温水层压、热切、排胶烧结工艺。

具体的，所述温水层压是将印刷好后的多层瓷片按照预设的层叠结构摆放，进行层压，采用温水层压的方式，可以保证受力均匀，并结合定位销的方式保证对位精度，然后进行热切和排胶烧结，在进行烧结前，对所述层压后的多层瓷片进行排胶，并且排胶过程不能出现错误，保证烧结后的基板材料不翘起，表面平整，对电路的传输和辐射特性不会造成影响。

S505、经过后印、后烧工艺后切割成型。

具体的，所述排胶烧结工艺完成后的瓷片进行再次印刷和烧结，然后将其切割成预设的形状。

S506、最后进行通断测试及外形尺寸测试。

具体的，所述通断测试及外形尺寸测试是对烧结完成的产品进行性能以及工作稳定性等方面的检测是LTCC技术的最后一步工艺，主要有评估成品收缩率是否到位，从表面看是否有分层，裂痕等直观缺陷，然后在进行电气性能等方面的测试，最后再以压力蒸煮、高温测试等方式检测成品的工作可靠性。

在本实施例中，图6和图7所示的传统工艺流程相比，其优化点为：将二次对位冲制空腔调整至叠片前进行，可避免生瓷片上的多空腔造成印刷工作台对瓷片的真空吸附力减弱，在进行大面积图形印刷时生瓷片极易粘在网版上，造成印刷失败；填孔、印刷烘干更改为净化间内自然晾干，避免产生褶皱；对于通孔鼓凸问题，在填孔干燥后引入了通孔减薄工序，并评估了其造成的层间偏移，可接受在±5μm的误差，优化后的工艺流程，使所述相控阵天线102的集成度、可靠低增加。

本发明实施例中，通过利用低温共烧陶瓷作为基板材料，液晶作为介质材料，采用二阶分形天线将相控阵天线单元尺寸缩小，增加电容枝节从而增加带宽，该辐射贴片中的第二液晶腔使相控阵阵间距可控，从而更好地调控电磁波，提高阵列天线增益，利用该天线单元，采用满足天线单元之间阵间距要求的弯折线的方式，将液晶移相网络模块集成于所述天线中，而该液晶移相网络模块中的第一液晶腔可对相控阵实现波束扫描，增强相控阵天线的抗干扰能力，多个单元结构级联，满足亚波长周期性排布，保证波束大角度扫描时无栅瓣，实现了宽波束扫描功能，最后对基板的工艺流程，将二次对位冲制空腔调整至叠片前进行，填孔、印刷烘干更改为净化间内自然晾干，对于通孔鼓凸问题，在填孔干燥后引入了通孔减薄工序，增加了集成度和可靠度同时减小了天线的尺寸和重量。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述基于LTCC的液晶可编程相控阵天线包括相控阵天线单元、液晶移相网络模块、相控阵模块、直线阵模块和分形天线，材料包括低温共烧陶瓷和液晶，所述低温共烧陶瓷作为基板材料，所述液晶作为介质材料，所述相控阵天线单元采用所述分形天线，用二阶分形形式应用于所述辐射贴片中，所述液晶移相网络模块通过弯折线的方式集成于所述相控阵天线单元中，所述直线阵模块将多个所述相控阵天线单元结构级联，所述辐射贴片和所述液晶移相网络模块集成于所述相控阵模块，且所述辐射贴片位于所述液晶移相网络模块上方。

2.如权利要求1所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述辐射贴片包括第一介质基板、第二介质基板、第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述第一介质基板与所述第一辐射贴片连接，且位于所述第一辐射贴片下方，所述第二介质基板与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接，且所述第二介质基板位于所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接之间。

3.如权利要求3所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述第一介质基板具有第二液晶腔，所述第二液晶腔位于所述第一介质基板中。

4.如权利要求1所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线单元还包括电容枝节，所述分形天线和所述电容枝节电性连接，所述电容枝节位于所述分形天线四周，并位于所述辐射贴片中。

5.如权利要求1所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述液晶移相网络模块包括弯折线液晶移相器和相移单元，所述相移单元位于所述弯折线液晶移相器中。

6.如权利要求4所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述液晶移相网络模块包括第一金属板、第二金属板、第三介质基板、第四介质基板和弯折线移相器，所述第一金属板和所述第三介质基板相连，并位于所述第三介质基板下方，所述第三介质基板和所述弯折线移相器相连，所述弯折线移相器和所述第四介质基板相连，所述弯折线移相器位于所述第三介质基板和所述第四介质基板之间，所述第四介质基板和所述第二金属板相连，所述第二金属板位于所述第四介质基板上方。

7.如权利要求6所述的一种基于LTCC的液晶可编程相控阵天线，其特征在于，所述第三介质基板具有第一液晶腔，所述第一液晶腔位于所述第三介质基板中。

8.一种工艺流程，应用于低温共烧陶瓷技术，其特征在于，对传统所述工艺流程包括：

进行生瓷片的下料、脱膜和老化；

在所述老化后的生瓷片上进行冲孔、填孔、通孔晾干和通孔减薄；

进行印刷、印刷晾干、二次对位冲制空腔、叠片和真空包封工艺；

真空包封好后对其进行温水层压、热切、排胶烧结工艺；

经过后印、后烧工艺后切割成型；

最后进行通断测试及外形尺寸测试。