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TWI665821B - 金屬輻射器上之高頻聚合物及製造其之方法 - Google Patents

金屬輻射器上之高頻聚合物及製造其之方法 Download PDF

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TWI665821B
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Abstract

在一種態樣中，相控陣列天線的單元胞(unit cell)包括具有孔、第一側和相對於該第一側的第二側的金屬板、設置在該第一側上的第一複數個疊合層(laminate layers)、設置在該金屬板的該第二側上的第二複數個疊合層、設置在該第一側上的該第一複數個疊合層中的輻射器、設置在該第二側上的該第二複數個疊合層中的饋電電路並且被配置成提供激勵信號給該輻射器、以及延伸穿過該孔連接該饋電電路至該輻射器的第一複數個通孔。

Description

金屬輻射器上之高頻聚合物及製造其之方法 [政府權利]
本案發明是在美國政府支持下完成的。美國政府對本發明有一定的權利。
本發明係關於金屬輻射器上之高頻聚合物。
陣列天線的性能通常受限於組成該陣列之天線元件的尺寸以及頻寬限制。改善頻寬同時維持薄型(low profile)使得陣列系統性能可滿足下一代通訊應用，諸如軟體定義或認知無線電等的頻寬及掃描要求。這些應用也經常需要可支援雙線性或圓形極化(circular polarizations)的天線元件。
在一種態樣中，相控陣列天線(phased array antenna) 的單元胞(unit cell)包括具有孔、第一側和相對於該第一側的第二側的金屬板、設置在該第一側上的第一複數個疊合層(laminate layers)、設置在該金屬板的該第二側上的第二複數個層、設置在該第一側上的該第一複數個層中的輻射器、設置在該第二側上的該第二複數個疊合層中的饋電電路，並且被配置成提供激勵信號給該輻射器、以及延伸穿過該孔連接該饋電電路至該輻射器的第一複數個通孔。
單元胞可包括下面一或多個特徵：該金屬板包含鎳-鐵合金，該鎳-鐵合金為64FeNi，第一偶極臂(dipole arm)；第二偶極臂；第三偶極臂；及第四偶極臂，該複數個通孔包含：耦合到該第一偶極臂的第一通孔；耦合到該第二偶極臂的第二通孔；耦合到該第三偶極臂的第三通孔及耦合到該第四偶極臂的第四通孔，其中該第一、第二、第三及第四通孔提供來自該饋電電路的激勵信號，該饋電電路包含：耦合到該第一通孔和該第二通孔的第一分支線(branchline)耦合器；耦合到該第三通孔和該第四通孔的第二分支線耦合器；耦合到該第一及第二分支線耦合器的鼠競(rat-race)耦合器，該饋電電路還包含：耦合到該第一分支線耦合器的第一電阻器；以及耦合到該第二分支線耦合器的第二電阻器；並且該第一及第二電阻器提供該第一分支線耦合器和該第二分支線耦合器之間的隔離，該饋電電路包含：耦合到該第一通孔和該第三通孔的第一鼠競耦合器；耦合到該第二通孔和該第四通孔的第二鼠競耦合器；耦合到該第一及第二鼠競耦合器的分支線耦合器，至該第一和第三偶極臂的信號彼此相位差(out of phase)180˚，以及其中至該第二和第四偶極臂的信號彼此相位差180˚，至該第一及第二偶極臂的信號彼此相位差90˚，以及至該第三和第四偶極臂的信號彼此相位差90˚，該饋電電路包含：耦合到該第一鼠競耦合器的第一電阻器；耦合到該第二鼠競耦合器的第二電阻器；以及耦合到該分支線耦合器的第三電阻器，其中該第一、第二和第三電阻器提供該第一鼠競耦合器、該第二鼠競耦合器和該分支線耦合器之間的隔離，耦合到該第一偶極臂的第五通孔；耦合到該第二偶極臂的第六通孔；耦合到該第三偶極臂的第七通孔以及耦合到該第四偶極臂的第八通孔，其中該第五、第六、第七和第八通孔提供接地，該饋電電路是正交相位(quadrature phase)饋電電路，該饋電電路使用右旋圓形極化(right hand circular polarization, RHCP)提供信號給該輻射器，該第一疊合層和該第二疊合層之其中至少一者是液晶聚合物(liquid crystalline polymer, LCP)，設置在該第一疊合層附近的廣角阻抗匹配片(WAIM)，及/或該單元胞以Ka波段(Ka-band)或更高的頻率執行。 　　在另一種態樣中，製造相控陣列天線的單元胞的方法，包括：加工金屬板成具有至少一個孔；以疊層填充該至少一個孔；添加第一複數個疊合層到該金屬板的第一表面；添加第二複數個疊合層到與該第一表面相對的該金屬板的第二表面；以及在該第一側上的該第一複數個疊合層中添加輻射器；在該第二側上的該第二複數個疊合層中添加饋電電路並配置成提供激勵信號給該輻射器；以及添加複數個通孔延伸穿過該孔連接該饋電電路至該輻射器。 　　製造方法可包括下面一或多個特徵：該金屬板包含鎳-鐵合金，該鎳-鐵合金為64FeNi，第一偶極臂；第二偶極臂；第三偶極臂；及第四偶極臂，該複數個通孔包含：耦合到該第一偶極臂的第一通孔；耦合到該第二偶極臂的第二通孔；耦合到該第三偶極臂的第三通孔及耦合到該第四偶極臂的第四通孔，其中該第一、第二、第三及第四通孔提供來自該饋電電路的激勵信號，該饋電電路包含：耦合到該第一通孔和該第二通孔的第一分支線耦合器；耦合到該第三通孔和該第四通孔的第二分支線耦合器；耦合到該第一及第二分支線耦合器的鼠競耦合器，該饋電電路還包含：耦合到該第一分支線耦合器的第一電阻器；以及耦合到該第二分支線耦合器的第二電阻器；並且該第一及第二電阻器提供該第一分支線耦合器和該第二分支線耦合器之間的隔離，該饋電電路包含：耦合到該第一通孔和該第三通孔的第一鼠競耦合器；耦合到該第二通孔和該第四通孔的第二鼠競耦合器；耦合到該第一及第二鼠競耦合器的分支線耦合器，至該第一和第三偶極臂的信號彼此相位差180˚，並且其中至該第二和第四偶極臂的信號彼此相位差180˚，至該第一及第二偶極臂的信號彼此相位差90˚，以及至該第三和第四偶極臂的信號彼此相位差90˚，該饋電電路包含：耦合到該第一鼠競耦合器的第一電阻器；耦合到該第二鼠競耦合器的第二電阻器；以及耦合到該分支線耦合器的第三電阻器，其中該第一、第二和第三電阻器提供該第一鼠競耦合器、該第二鼠競耦合器和該分支線耦合器之間的隔離，耦合到該第一偶極臂的第五通孔；耦合到該第二偶極臂的第六通孔；耦合到該第三偶極臂的第七通孔以及耦合到該第四偶極臂的第八通孔，其中該第五、第六、第七和第八通孔提供接地，該饋電電路是正交相位饋電電路，該饋電電路使用右旋圓形極化(RHCP)提供信號給該輻射器，該第一疊合層和該第二疊合層之其中至少一者是液晶聚合物(LCP)，設置在該第一疊合層附近的廣角阻抗匹配片(WAIM)，及/或該單元胞以Ka波段或更高的頻率執行。
本文描述的是包括一或多個單元胞的相控陣列天線。在一個範例中，單元胞包括以聚合物-金屬(polymer-on-metal, POM)結構製造的高頻輻射器。 　　本文所述的單元胞提供以下一或多個優點。單元胞固有地提供了頻帶外(out-of-band)過濾及屏蔽。單元胞是接地良好的、控制表面波傳播擴展頻率及掃描性能的薄型結構。單元胞在掃描輸出至60˚上提供優異的軸比性能。疊層(laminate)上的高密度薄膜金屬化實現了.002”線寬及間隙。由於金屬板，單元胞具有熱管理的好處。 　　電流迴路(current loop)輻射器已能成功實現在印刷線路板(PWB)技術中從C波段到K波段的頻率範圍。由於輻射器性能對通孔位置的敏感性以及對更小的間隙和線寬的需求，因此在Ka波段和以上的波段難以維持性能。在PWB技術中，標稱的通孔位置可在以標稱值為中心的.01”直徑圓之內變化，這意味著通孔可在任意方向移動多達.005”。隨著頻率的增加，波長和單元胞減少，因此這個移動變得更加顯著。此外，由於加工和設備的限制，PWB技術難以實現.004”以下的線寬和間隙。本文所描述的方法能夠製造用於高頻的電流迴路元件。 　　聚合物-金屬(POM)技術提供了所需的改進。黏附到金屬平面的液晶聚合物(LCP)上的高密度薄膜金屬化可實現.002”線寬和間隙。相較於PWB技術，這些金屬化層的對準誤差(misregistration)大幅地降低，這有助於使最大通孔移動從.005”減少至＜.001”。此外，採用精密雷射微加工而非鑽頭來製作通孔。這種改進的組合提供了比以往能在更高頻率實現電流迴路的能力。POM技術在熱管理和屏蔽方面提供了額外的優勢。因為輻射器電路是圍繞著具有顯著厚度(例如，.02”)的金屬板構成的，因此它對於頻帶外的頻率有波導式頻率抑制特性。透過將饋電電路放置在金屬板的一側並且將輻射結構放置在另一側，可以簡化結構。這簡化了POM電路的製造，並且透過減少所需的疊層的數量來減少製造成本。 　　參考圖1A，相控陣列天線10包括單元胞(例如，單元胞100)。在一些範例中，相控陣列天線10可以被形成為矩形、正方形、八角形等等。 　　參考圖1B至1D，在一個範例中，單元胞100包括廣角阻抗匹配(WAIM)層102、第一疊層區域104、金屬板106、第二疊層區域108、具有正交電流迴路132a-132d的輻射器116以及正交相位(quadrature phase)饋電電路120。單元胞100還包括通孔(例如，通孔122a-122d(圖2B))，該通孔將來自饋電電路120的激勵信號提供給輻射器116，其例如控制表面波並且改善輻射器的頻寬以及其在掃描期間的性能。饋電電路120包括同軸埠330，其接收由RF連接器124提供的信號。 　　在一個範例中，該WAIM層是.01”氰酯系(Cyanide Ester)樹脂/石英像素化的WAIM。在一個範例中，第一疊層區域104和第二疊層區域108是液晶聚合物(LCP)疊層。第一疊層區域104可包括一或多層的疊層。第二疊層區域108可包括一或多層的疊層。如本文將進一步說明的，可在添加一疊合層之後，添加金屬化(包括通孔122a-122d)。舉例來說，分階段形成通孔122a-122d。 　　參考圖2A及2B，金屬板106包括至少一個孔202。在一個範例中，金屬板是一屏蔽。在一個範例中，金屬板包括諸如64FeNi或銦剛(Invar)的鎳-鐵合金。孔202的存在產生至電流迴路輻射器116的一波導狀元件，其可透過控制通孔122a-122d彼此之間的間隔以及金屬壁加上金屬板106中的孔202的深度和直徑來改善關鍵性能參數。 　　偶極臂132a-132d之各者透過相應的通孔接地至金屬板106。舉例來說，偶極臂132a使用通孔124a接地，偶極臂132b使用通孔124b接地，偶極臂132c使用通孔124c接地，以及偶極臂132d使用通孔124d接地。在一個範例中，偶極臂132a-132d中的一或多個以距離各自的通孔124a-124d一特定距離而被添加，用以控制調諧。 　　在一個範例中，通孔(例如，通孔122a-122d及通孔124a-124d)是微機械的雷射通孔，其允許高準確的通孔放置，從而減少構建部件中的性能變化。對於成功的輻射器設計來說，重要的是堆疊結構的層以如下方式實現：所需的通孔可依照輻射器性能的要求來實現，尤其是，平衡元件，像金屬板106中的孔202的直徑夠大而可實現饋電電路120和輻射器116之間的四個信號通孔122a-122d，以及夠小而可將輻射器電路層116和金屬板106之間的接地通孔124a-124d放置得夠靠近信號通孔122a-122d，以便有效地消除介電質(例如，疊層)中的表面波的傳播。 　　參考圖3，正交饋電電路300包括耦合到鼠競(rat-race)耦合器306的分支耦合器302a、302b。分支耦合器302a包括墊320a、320b以及電阻器312a；以及分支耦合器302b包括墊320c、320d以及電阻器312b。可選擇電阻器312a、312b，以控制分支耦合器302a、302b之間的隔離，其改善了掃描性能。 　　墊320a-320d使用通孔122a-122d(圖2B)連接到輻射器偶極臂132a-132d中的對應的一者，以提供輻射器的0˚、90˚、180˚、270˚激勵。鼠競耦合器306包括同軸埠330，以接收來自RF連接器124的信號。在一個範例中，提供給墊320a、320b的信號之間的相位差是90˚，以及提供給墊320c、320d的信號之間的相位差是90˚。在一特定的範例中，饋電電路120使用右旋圓形極化(RHCP)提供信號給偶極臂132a-132d。 　　參考圖4，正交相位饋電電路的另一範例是饋電電路402。正交饋電電路402包括耦合到分支耦合器406的鼠競耦合器404a、404b。鼠競耦合器404a包括墊420a、420d以及電阻器412a；以及鼠競耦合器404b包括墊420b、420c以及電阻器412b。分支耦合器406包括電阻器412c以及墊450。 　　電阻器412a-412c提供第一鼠競耦合器404a、第二鼠競耦合器404b和分支線耦合器406之間的隔離，其改善了掃描性能。分支耦合器406在墊450處連接到RF連接器124。 　　墊420a-420d使用通孔122a-122d(圖2B)連接到輻射器偶極臂132a-132d中相應的一者，以提供輻射器的0˚、90˚、180˚、270˚激勵。至偶極臂132a、132c的信號彼此相位差180˚，以及至偶極臂132b、132d的信號彼此相位差180˚。在一個範例中，至偶極臂132a、132b的信號彼此相位差90˚，以及至偶極臂132c、132d的信號彼此相位差90˚。在一特定的範例中，饋電電路402使用右旋圓形極化(RHCP)提供信號給偶極臂132a-132d。 　　參考圖5，過程500是製造單元胞100的過程的範例。過程500加工具有一或多個孔的金屬板(502)。舉例來說，使用線切割放電加工(EDM)來形成具有孔202的金屬板106，或者從金屬層106加工出孔202。 　　過程500填充一或多個孔(506)。舉例來說，以LCP填充金屬板106的孔202。 　　過程500將第一疊合層添加到金屬板的頂表面(510)。舉例來說，將LCP的第一疊合層添加到金屬層106的頂表面。在一特定的範例中，添加.004”的LCP。 　　過程500將第二疊合層添加到金屬板的底表面(514)。舉例來說，將LCP的第二疊合層添加到金屬層106的底表面。在一特定的範例中，添加.002”的LCP。 　　過程500將雷射通孔添加到第一及第二疊合層(518)。在一特定的範例中，圖案化第一及第二層用於雷射通孔。舉例來說，將.01”雷射通孔添加到第一及第二疊合層。在另一範例中，將.006”雷射通孔添加到第一疊合層104，以及將.003”雷射通孔添加到第二疊合層108。在一個範例中，交錯的(staggered).003”雷射通孔是、或者接地在較大的通孔尺寸無法適合的地方。 　　過程500將電阻器添加到第二疊合層(522)。舉例來說，將電阻器(例如，每平方材料25歐姆(Ohms per square material, OPS))添加到第二疊合層108。在一個範例中，電阻器包括饋電電路120中的電阻器312a、312b。 　　過程500添加額外的疊層到第一及第二疊合層(526)。舉例來說，將.002”的LCP添加到第二疊合層108，以及將.008” 的LCP添加到第一疊合層104。 　　過程500添加雷射通孔到額外的疊合層(532)。在一特定的範例中，圖案化第一及第二層104、108用於雷射通孔。在另一範例中，將.003”和.006”雷射通孔添加到第二疊合層108，以及將.008”雷射通孔添加到第一疊合層104。在一個範例中，隨著形成堆疊在所添加的.008”通孔的頂部上的.008”雷射通孔(參見，例如，過程方塊518)，完成信號通孔122a-122d。 　　過程500添加饋電電路(536)。舉例來說，使用金屬化來形成饋電電路120，以連接到信號通孔122a-122d。 　　過程500添加輻射器(542)。舉例來說，使用金屬化來形成輻射器116，以連接到接地通孔124a-124d及信號通孔122a-122d。 　　過程500添加WAIM層(546)。舉例來說，添加WAIM層102，並放置在第一疊層區域104上方，在第一疊層區域104和WAIM層102之間留下.02”的氣隙。 　　本文描述的過程不限於所述的特定範例。舉例來說，過程500不限於圖5的特定處理順序。相反的，依據需要，可將圖5的任何處理方塊重新排序、組合或移除、平行或串列執行，以實現上述結果。 　　可以組合本文所描述的不同實施例的元件，以形成沒有在上面具體闡述的其他實施例。在單一實施例之上下文中描述的各種元件也可以被單獨提供或者以任何合適的子組合提供。在本文中沒有具體描述的其他實施例也包含在下面申請專利範圍的範圍內。
10‧‧‧相控陣列天線
100‧‧‧單元胞
102‧‧‧廣角阻抗匹配(WAIM)層
104‧‧‧第一疊層區域
106‧‧‧金屬板
108‧‧‧第二疊層區域
116‧‧‧輻射器
120‧‧‧正交相位饋電電路
122a-122d‧‧‧通孔
124‧‧‧RF連接器
124a-124d‧‧‧通孔
132a-132d‧‧‧正交電流迴路
202‧‧‧孔
330‧‧‧同軸埠
300‧‧‧正交饋電電路
302a-302b‧‧‧分支耦合器
306‧‧‧鼠競耦合器
320a-302d‧‧‧墊
312a-312b‧‧‧電阻器
402‧‧‧饋電電路
404a-404b‧‧‧鼠競耦合器
406‧‧‧分支耦合器
412a-412c‧‧‧電阻器
420a-420d‧‧‧墊
450‧‧‧墊
圖1A是相控陣列天線的範例的圖。 　　圖1B是相控陣列天線之單元胞的範例的圖。 　　圖1C是圖1中的單位沒有金屬板的圖。 　　圖1D是沒有廣角阻抗匹配層之單元胞的範例的圖。 　　圖2A是例如用於屏蔽之金屬板的範例的圖。 　　圖2B是圖2A的金屬板具有通孔和饋電電路的範例的圖。 　　圖3是饋電電路的範例的俯視圖。 　　圖4是饋電電路的另一範例的俯視圖。 　　圖5是製造單元胞的過程的範例的流程圖。

Claims (20)

  1. 一種相控陣列天線(phased array antenna)的單元胞(unit cell)，包括： 　　金屬板，具有孔、第一側和相對於該第一側的第二側； 　　第一複數個疊合層(laminate layers)，設置在該第一側上； 　　第二複數個疊合層，設置在該金屬板的該第二側上； 　　輻射器，設置在該第一側上的該第一複數個疊合層中； 　　饋電電路，設置在該第二側上的該第二複數個疊合層中並且被配置成提供激勵信號給該輻射器；以及 　　第一複數個通孔，延伸穿過該孔、連接該饋電電路至該輻射器。
  2. 如請求項1的單元胞，其中該金屬板包含鎳-鐵合金。
  3. 如請求項2的單元胞，其中該鎳-鐵合金為64FeNi。
  4. 如請求項1的單元胞，其中該輻射器包含： 　　第一偶極臂(dipole arm)； 　　第二偶極臂； 　　第三偶極臂；及 　　第四偶極臂。
  5. 如請求項4的單元胞，其中該複數個通孔包含： 　　耦合到該第一偶極臂的第一通孔； 　　耦合到該第二偶極臂的第二通孔； 　　耦合到該第三偶極臂的第三通孔；及 　　耦合到該第四偶極臂的第四通孔， 　　其中該第一、第二、第三及第四通孔提供來自該饋電電路的激勵信號。
  6. 如請求項5的單元胞，其中該饋電電路包含： 　　耦合到該第一通孔和該第二通孔的第一分支線(branchline)耦合器； 　　耦合到該第三通孔和該第四通孔的第二分支線耦合器； 　　耦合到該第一及第二分支線耦合器的鼠競(rat-race)耦合器。
  7. 如請求項6的單元胞，其中該饋電電路還包含： 　　耦合到該第一分支線耦合器的第一電阻器；以及 　　耦合到該第二分支線耦合器的第二電阻器， 　　其中該第一及第二電阻器提供該第一分支線耦合器和該第二分支線耦合器之間的隔離。
  8. 如請求項5的單元胞，其中該饋電電路包含： 　　耦合到該第一通孔和該第三通孔的第一鼠競耦合器； 　　耦合到該第二通孔和該第四通孔的第二鼠競耦合器； 　　耦合到該第一及第二鼠競耦合器的分支線耦合器。
  9. 如請求項7的單元胞，其中至該第一和第三偶極臂的信號彼此相位差(out of phase) 180˚，以及 　　其中至該第二和第四偶極臂的信號彼此相位差180˚。
  10. 如請求項9的單元胞，其中至該第一及第二偶極臂的信號彼此相位差90˚，以及 　　其中至該第三和第四偶極臂的信號彼此相位差90˚。
  11. 如請求項8的單元胞，其中該饋電電路還包含： 　　耦合到該第一鼠競耦合器的第一電阻器； 　　耦合到該第二鼠競耦合器的第二電阻器；以及 　　耦合到該分支線耦合器的第三電阻器， 　　其中該第一、第二和第三電阻器提供該第一鼠競耦合器、該第二鼠競耦合器和該分支線耦合器之間的隔離。
  12. 如請求項5的單元胞，還包含： 　　耦合到該第一偶極臂的第五通孔； 　　耦合到該第二偶極臂的第六通孔； 　　耦合到該第三偶極臂的第七通孔；以及 　　耦合到該第四偶極臂的第八通孔， 　　其中該第五、第六、第七和第八通孔提供接地。
  13. 如請求項1的單元胞，其中該饋電電路是正交相位(quadrature phase)饋電電路。
  14. 如請求項1的單元胞，其中該饋電電路使用右旋圓形極化(RHCP)提供信號給該輻射器。
  15. 如請求項1的單元胞，其中該第一複數個疊合層和該第二複數個疊合層之其中至少一者是液晶聚合物(LCP)。
  16. 如請求項1的單元胞，還包括設置在該第一複數個疊合層附近的廣角阻抗匹配片(WAIM)。
  17. 如請求項1的單元胞，其中該單元胞以Ka波段(Ka-band)或更高的頻率執行。
  18. 一種製造相控陣列天線的單元胞的方法，包含： 　　加工金屬板成具有至少一個孔； 　　以疊層填充該至少一個孔； 　　添加第一複數個疊合層到該金屬板的第一表面； 　　添加第二複數個疊合層到與該第一表面相對的該金屬板的第二表面； 　　在該第一表面上的該第一複數個疊合層中添加輻射器； 　　在該第二表面上的該第二複數個疊合層中添加饋電電路並配置成提供激勵信號給該輻射器；以及 　　添加複數個通孔，延伸穿過該孔、連接該饋電電路至該輻射器。
  19. 如請求項18的方法，還包含添加設置在該第一複數個疊合層附近的廣角阻抗匹配片(WAIM)。
  20. 如請求項18的方法，還包含添加電阻器至該第二複數個疊合層。
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