本發(fā)明涉及一種微帶天線，特別是一種基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線。

背景技術(shù)：

基于GaN加工工藝的天線易于與MMIC電路集成，可提高系統(tǒng)的集成度，從而減小芯片的整體尺寸及加工成本，因此成為近年來微波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于GaN加工工藝中襯底材料大部分是硅，硅的介電常數(shù)ε_r＝11.9，損耗角正切tanδ＝0.015。在微波天線設(shè)計(jì)中，天線所在基板的介電常數(shù)越低，天線的輻射性能越好，高介電常數(shù)不利于天線的輻射，再加上硅的損耗較大，很難得到較高的增益值。此外，GaN加工工藝中基板的厚度很薄，也不利于天線輻射。

由上可知，現(xiàn)有技術(shù)中較少涉及提高基于GaN加工工藝的微帶天線增益的方法，通常使用的加載寄生貼片的方法會(huì)增大天線尺寸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，它能顯著提高天線在所需頻率的增益值。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，包括矩形貼片天線、饋電微帶線、一端接地的寄生貼片、寄生金屬條帶、接地金屬柱、介質(zhì)基板、探針測量所需的GSG結(jié)構(gòu)和金屬地板；

矩形貼片天線印制在介質(zhì)基板的上表面中心，該天線采用插入饋電方式通過饋電微帶線進(jìn)行饋電，所述饋電微帶線與矩形貼片天線的輻射邊垂直，該饋電微帶線的另一端與GSG結(jié)構(gòu)相連，所述GSG結(jié)構(gòu)位于介質(zhì)基板的邊緣，寄生金屬條帶與矩形貼片天線的非輻射邊平行并關(guān)于饋電微帶線所在直線對(duì)稱，矩形貼片天線的另一個(gè)輻射邊外側(cè)設(shè)置一端接地的寄生貼片，該寄生貼片通過接地金屬柱接地，介質(zhì)基板的底部設(shè)置金屬地板。

所述寄生金屬條帶的數(shù)量為偶數(shù)個(gè)，優(yōu)選的數(shù)量為4。

介質(zhì)基板是半導(dǎo)體材料，通過在襯底材料上生長半導(dǎo)體晶體形成，其介電常數(shù)ε_r為6.5～11.9，厚度H為0.01λ～0.1λ，其中λ為自由空間波長。

矩形貼片天線的長L為0.43λ_g～0.47λ_g，寬W為0.55λ_g～0.85λ_g，其中λ_g為介質(zhì)基 板的介質(zhì)有效波長；一端接地的寄生貼片的長L₂為0.19λ_g～0.26λ_g，寬W₂為0.55λ_g～0.85λ_g，寄生金屬條帶的長L₁為0.45λ_g～0.52λ_g，寬W₁為0.05λ_g～0.08λ_g。

矩形貼片天線和一端接地的寄生貼片之間的縫隙寬度G₁為0.07λ_g～0.14λ_g，矩形貼片天線和寄生金屬條帶之間的縫隙寬度G₂為0.02λ_g～0.04λ_g，相鄰兩條矩形金屬條帶之間的縫隙寬度G₃為0.02λ_g～0.04λ_g。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明提出的基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，充分利用高介電常數(shù)的基板中，電場束縛在輻射天線周圍的特點(diǎn)，在矩形微帶天線的E面和H面方向上分別加入寄生貼片和寄生條帶結(jié)構(gòu)，使天線輻射得到顯著提高，與普通微帶天線相比，天線輻射增益提高了1.75dB。2)本發(fā)明提出的基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，E面加載的寄生貼片一端接地，可以將該寄生貼片的尺寸從0.5λ_g減小到0.25λ_g左右，H面加載的是寄生條帶，尺寸較小。因此，加載寄生貼片和寄生條帶提高天線增益的同時(shí)，任然保持天線整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，適用于天線陣列中。3)本發(fā)明提出的基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，金屬結(jié)構(gòu)都印制在同一金屬層，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第一組參數(shù)時(shí)的三維圖、俯視圖和側(cè)視圖，其中圖(a)為三維圖，圖(b)為俯視圖，圖(c)為側(cè)視圖。

圖2為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第一組參數(shù)時(shí)的最大增益點(diǎn)處的電場強(qiáng)度分布圖，其中圖(a)為介質(zhì)基板中的電場強(qiáng)度分布，圖(b)為金屬層的電場強(qiáng)度分布。

圖3為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第一組參數(shù)時(shí)的反射系數(shù)和增益曲線。

圖4為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第一組參數(shù)時(shí)最大增益點(diǎn)處的輻射方向圖與普通微帶天線的對(duì)比圖，其中圖(a)基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，圖(b)為普通微帶天線。

圖5為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第二組參 數(shù)時(shí)的俯視圖。

圖6為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第二組參數(shù)時(shí)的反射系數(shù)和增益曲線。

圖7為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第二組參數(shù)時(shí)最大增益點(diǎn)處的輻射方向圖與普通微帶天線的對(duì)比圖，其中圖(a)基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，圖(b)為普通微帶天線。

圖8為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第三組參數(shù)時(shí)的俯視圖。

圖9為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第三組參數(shù)時(shí)的反射系數(shù)和增益曲線。

圖10為本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線選取第三組參數(shù)時(shí)最大增益點(diǎn)處的輻射方向圖與普通微帶天線的對(duì)比圖，其中圖(a)基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，圖(b)為普通微帶天線。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，包括矩形貼片天線1、饋電微帶線2、一端接地的寄生貼片3、寄生金屬條帶4、接地金屬柱5、介質(zhì)基板6、探針測量所需的GSG結(jié)構(gòu)7和接地面8。

矩形貼片天線1印制在介質(zhì)基板6的上表面中心，該天線采用插入饋電方式通過饋電微帶線2進(jìn)行饋電，所述饋電微帶線2與矩形貼片天線1的輻射邊垂直，該饋電微帶線的另一端與GSG結(jié)構(gòu)7相連，所述GSG結(jié)構(gòu)7位于介質(zhì)基板6的邊緣，寄生金屬條帶4與矩形貼片天線1的非輻射邊平行并關(guān)于饋電微帶線2所在直線對(duì)稱，矩形貼片天線1的另一個(gè)輻射邊外側(cè)設(shè)置一端接地的寄生貼片3，該寄生貼片3通過接地金屬柱5接地，介質(zhì)基板6的底部設(shè)置金屬地板8。

所述寄生金屬條帶4的數(shù)量為偶數(shù)個(gè)，優(yōu)選4個(gè)。

介質(zhì)基板6是半導(dǎo)體材料，通過在襯底材料上生長半導(dǎo)體晶體形成，所述介質(zhì)基板6的介電常數(shù)ε_r均為6.5～11.9，厚度H均為0.01λ～0.1λ，其中λ為自由空間波長。

所述矩形貼片天線1的長L為0.43λ_g～0.47λ_g，寬W為0.55λ_g～0.85λ_g，其中λ_g為介質(zhì)基板6的介質(zhì)有效波長；一端接地的寄生貼片3的長L₂為0.19λ_g～0.26λ_g，寬W₂為0.55λ_g～0.85λ_g，寄生金屬條帶4的長L₁為0.45λ_g～0.52λ_g，寬W₁為0.05λ_g～0.08λ_g。

所述矩形貼片天線1和一端接地的寄生貼片3之間的縫隙寬度G₁為0.07λ_g～0.14λ_g。矩形貼片天線1和寄生金屬條帶4之間的縫隙寬度G₂為0.02λ_g～0.04λ_g，相鄰兩條矩形金屬條帶4之間的縫隙寬度G₃為0.02λ_g～0.04λ_g。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況進(jìn)行細(xì)化說明。

實(shí)施例1

結(jié)合圖1，該微帶天線包括矩形貼片天線1、饋電微帶線2、一端接地的寄生貼片3、寄生金屬條帶4、接地金屬柱5、介質(zhì)基板6、探針測量所需的GSG結(jié)構(gòu)7和金屬地板8。一端接地的寄生貼片3通過13根接地金屬柱5與金屬地板8相連。沿矩形貼片天線1非輻射邊分別印制兩條寄生金屬條帶4。其中矩形微帶天線1的長L為0.68mm(0.47λ_g)，寬W為1.2mm(0.83λ_g)。一端接地的寄生貼片3的長L₂為0.38mm(0.26λ_g)，寬W₂為1.2mm(0.83λ_g)。寄生金屬條帶4的長L₁為0.75mm(0.52λ_g)，寬W₁為0.1mm(0.07λ_g)。矩形貼片天線1和一端接地的寄生貼片3之間的縫隙寬度G₁為0.2mm(0.14λ_g)，矩形微帶天線1和寄生金屬條帶4之間的縫隙寬度G₂為0.03mm(0.02λ_g)，相鄰兩條矩形金屬條帶4之間的縫隙寬度G₃為0.03mm(0.02λ_g)。介質(zhì)基板6由多層材料組成，從上往下依次是：厚度為2.16um的金，厚度為0.15um、介電常數(shù)為6.5的SiN，厚度為6.28um、介電常數(shù)為9.0的GaN，厚度為93.57um、介電常數(shù)為11.9的硅，厚度為2.16um的金。所述介質(zhì)有效波長為1.45mm。

結(jié)合圖2，高介電常數(shù)的薄介質(zhì)基板中電場被束縛在金屬周圍，主輻射貼片和寄生貼片及寄生條帶都諧振在增益最大點(diǎn)。

結(jié)合圖3，基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，反射系數(shù)低于-10dB的工作頻帶為59.4GHz～62.06GHz，相對(duì)帶寬為4.38％，最大增益可以達(dá)到3.14dBi。

結(jié)合圖4，與基于GaN加工工藝的普通微帶天線相比，寄生貼片加載型微帶天線的輻射方向圖變化不大，最大增益值增大了1.75dB。

由上可知，本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線可以增大所需頻率的增益，有效地實(shí)現(xiàn)高增益輻射特性。

實(shí)施例2

結(jié)合圖5，該微帶天線包括矩形貼片天線1、饋電微帶線2、一端接地的寄生貼片3、寄生金屬條帶4、接地金屬柱5、介質(zhì)基板6、探針測量所需的GSG結(jié)構(gòu)7和金屬地板8。一端接地的寄生貼片3通過13根接地金屬柱5與金屬地板8相連。沿矩形貼片天線 1非輻射邊分別印制兩條寄生金屬條帶4。其中矩形微帶天線1的長L為0.67mm(0.46λ_g)，寬W為1.23mm(0.85λ_g)。一端接地的寄生貼片3的長L₂為0.3mm(0.2λ_g)，寬W₂為1.23mm(0.85λ_g)。寄生金屬條帶4的長L₁為0.65mm(0.45λ_g)，寬W₁為0.07mm(0.05λ_g)。矩形貼片天線1和一端接地的寄生貼片3之間的縫隙寬度G₁為0.1mm(0.07λ_g)，矩形微帶天線1和寄生金屬條帶4之間的縫隙寬度G₂為0.03mm(0.02λ_g)，相鄰兩條矩形金屬條帶4之間的縫隙寬度G₃為0.03mm(0.02λ_g)。介質(zhì)基板6由多層材料組成，從上往下依次是：厚度為2.16um的金，厚度為0.15um、介電常數(shù)為6.5的SiN，厚度為6.28um、介電常數(shù)為9.0的GaN，厚度為93.57um、介電常數(shù)為11.9的硅，厚度為2.16um的金。所述介質(zhì)有效波長為1.45mm。

結(jié)合圖6，基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，反射系數(shù)低于-10dB的工作頻帶為59.75GHz～60.85GHz，相對(duì)帶寬為1.8％，最大增益可以達(dá)到4.54dBi。

結(jié)合圖7，與基于GaN加工工藝的普通微帶天線相比，寄生貼片加載型微帶天線的輻射方向圖變化不大，最大增益值增大了1.32dB。

由上可知，本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線可以增大所需頻率的增益，有效地實(shí)現(xiàn)高增益輻射特性。

實(shí)施例3

結(jié)合圖8，該微帶天線包括矩形貼片天線1、饋電微帶線2、一端接地的寄生貼片3、寄生金屬條帶4、接地金屬柱5、介質(zhì)基板6、探針測量所需的GSG結(jié)構(gòu)7和金屬地板8。一端接地的寄生貼片3通過接地金屬柱5與金屬地板8相連。沿矩形貼片天線1非輻射邊分別印制兩條寄生金屬條帶4。其中矩形微帶天線1的長L為0.62mm(0.43λ_g)，寬W為0.8mm(0.55λ_g)。一端接地的寄生貼片3的長L₂為0.27mm(0.19λ_g)，寬W₂為0.8mm(0.55λ_g)。寄生金屬條帶4的長L₁為0.75mm(0.52λ_g)，寬W₁為0.12mm(0.08λ_g)。矩形貼片天線1和一端接地的寄生貼片3之間的縫隙寬度G₁為0.15mm(0.1λ_g)，矩形微帶天線1和寄生金屬條帶4之間的縫隙寬度G₂為0.06mm(0.04λ_g)，相鄰兩條矩形金屬條帶4之間的縫隙寬度G₃為0.06mm(0.04λ_g)。介質(zhì)基板6由多層材料組成，從上往下依次是：厚度為2.16um的金，厚度為0.15um、介電常數(shù)為6.5的SiN，厚度為6.28um、介電常數(shù)為9.0的GaN，厚度為93.57um、介電常數(shù)為11.9的硅，厚度為2.16um的金。所述介質(zhì)有效波長為1.45mm。

結(jié)合圖9，基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線，反射系數(shù)低于-10 dB的工作頻帶為59.6GHz～60.65GHz，相對(duì)帶寬為1.7％，最大增益可以達(dá)到3.99dBi。

結(jié)合圖10，與基于GaN加工工藝的普通微帶天線相比，寄生貼片加載型微帶天線的增益大大提高，最大增益值增大了5.41dB。

由上可知，本發(fā)明基于GaN加工工藝的寄生貼片加載型高增益微帶天線可以增大所需頻率的增益，有效地實(shí)現(xiàn)高增益輻射特性。