《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：Wideband glass resonator antenna array for D-band applications
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本文提出了一种面向亚太赫兹（sub-THz）应用的宽带倒金字塔型玻璃谐振器天线（PIGRA）设计方案。该玻璃天线概念通过两种实现方式进行验证：（i）基于玻璃-玻璃（GoG）架构、集成于单层玻璃印刷电路板（PCB）上的单一辐射体；（ii）在双层Rogers CL
本文提出了一种面向亚太赫兹（sub-THz）应用的宽带倒金字塔型玻璃谐振器天线（PIGRA）设计方案。该玻璃天线概念通过两种实现方式进行验证：（i）基于玻璃-玻璃（GoG）架构、集成于单层玻璃印刷电路板（PCB）上的单一辐射体；（ii）在双层Rogers CLTE基板上实现的4×4平面方形PIGRA阵列。单辐射体实现方案实现了超过42%的阻抗带宽，覆盖整个D波段（110–170 GHz），峰值实现增益为5.8 dBi。4×4阵列在D波段实现了38%的阻抗带宽，峰值实现增益为15 dBi。所提出的天线采用LPKF?公司的激光诱导深度刻蚀（LIDE?）技术在高硼硅酸盐玻璃上进行加工，首次验证了2.5D玻璃微加工技术用于工作频率高于100 GHz的天线结构的可行性。单辐射体实现方案的玻璃PCB通过物理气相沉积（PVD）结合电镀工艺实现金属化。本文给出了设计方法、制造工艺、组装方案及实测性能，并与CST Microwave Studio全波电磁仿真结果进行了对比。实测结果与仿真吻合良好，验证了所提出的玻璃基PIGRA架构在D波段及更高频段无线通信与传感应用中的可行性。
**研究背景与问题**
射频（RF）频谱资源的有限性以及日益增长的高数据速率需求推动了100 GHz以上频段的研发。110–170 GHz频段（D波段）因其大可用带宽和高技术成熟度，被认为是未来无线通信（6G及以后）、自动驾驶、雷达和传感应用的有前景候选频段。在毫米波（mmWave）频率下，高数据速率、大规模多输入多输出（MIMO）、高分辨率和高度集成等能力成为可能。半导体技术已展示出最大振荡频率超过600 GHz的晶体管。然而，随着工作频率升高，导体欧姆损耗显著增加，制造公差更为严格，系统集成难度加大。因此，收发机与天线互连的损耗增加，金属天线的辐射效率迅速下降。天线封装（AiP）概念旨在通过缩短收发机芯片与天线之间的距离来缓解互连损耗，同时促进系统集成和大规模生产可制造性。介质谐振器天线（DRA）不存在欧姆损耗，具有紧凑尺寸、低热膨胀和高辐射效率等优势，因其无金属辐射元件，但通常提供低至中等增益。将DRA用于阵列配置可通过增强天线增益来提高有效各向同性辐射功率，从而补偿毫米波频率下的显著路径损耗。典型DRA提供约30%的阻抗带宽，不足以覆盖整个D波段，而工作在基模的单一谐振器实现增益通常低于6 dBi。已有多种技术被报道用于增强工作带宽，包括堆叠多个谐振器、降低介电常数、采用不同谐振器几何结构、引入寄生辐射体、使用频率选择表面覆层以及集成表面安装喇叭等。
**研究内容与结论**
本文提出了一种宽带玻璃基倒金字塔型谐振器天线作为D波段平面天线阵列的辐射元件。该辐射元件旨在集成到毫米波应用的单片微波集成电路（MMIC）封装中。PIGRA具有超过40%（对于|S??|≤?10 dB）的固有阻抗带宽，覆盖整个D波段。宽带宽主要通过锥形垂直截面实现，该截面能够在工作频率范围内激发多个谐振模式。研究选用Schott Borofloat 33（BF33）高硼硅酸盐玻璃作为PIGRA制造材料，因其具有合适的电磁特性。BF33在D波段频率下的相对介电常数（ε_r）为4.4，损耗角正切（tan δ）为0.018。PIGRA在相对介电常数为ε_r=6.5的玻璃基PCB基板上进行设计和优化。单辐射体设计采用玻璃-玻璃（GoG）方案实现，以验证将PIGRA集成到MMIC封装中的可行性。PIGRA采用激光诱导深度刻蚀（LIDE）技术制造，玻璃PCB基板采用物理气相沉积（PVD）结合电镀工艺实现金属化。PIGRA由共面波导（CPW）馈电，通过PIGRA–PCB界面底侧的缝隙耦合技术进行激励。第二种实现方式是在双层Rogers CLTE基板上制造的4×4平面阵列。16个PIGRA元件通过缝隙耦合馈电技术、使用微带线结构进行同相激励。为便于与其他前端组件集成，设计了一种低损耗宽带CPW到微带过渡。微带馈电网络通过15个Wilkinson功率分配器分配输入信号，提供1比16等功率分配，损耗最小化。阵列在50 Ω系统阻抗下实现了15 dBi的峰值实现增益，同时在整个D波段保持?10 dB阻抗带宽。研究人员在卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）采用基于探头的天线测量系统评估了两种设计的射频性能。该天线测量系统为远场单探头天线测量系统，能够测量高达325 GHz。本研究的主要贡献包括：一种实现超宽带D波段工作的新型玻璃基倒金字塔型DRA；适用于AiP集成的GoG单元演示器；结合集成CPW到微带过渡和Wilkinson馈电网络的低损耗4×4阵列；两种实现方式的实验验证，展示了超过40%的阻抗带宽和15 dBi的峰值实现增益。本研究首次展示了集成在经PVD和电镀工艺金属化的玻璃基板上的宽带玻璃基D波段天线，特别验证了2.5D玻璃微加工技术在100 GHz以上的可行性。所提出的倒金字塔型玻璃谐振器天线作为单元辐射体和阵列配置均实现了最宽带宽和最高峰值增益，这归因于工作D波段内的多模激励。这些结果代表了面向亚太赫兹应用的GoG AiP解决方案的重要进展，有望应用于6G通信系统、后6G技术和雷达传感。
**关键技术方法**
研究人员采用以下主要关键技术方法：（1）基于介质波导模型（DWM）和横向共振技术的等效矩形介质谐振器天线（RDRA）分析，结合CST Microwave Studio全波本征模分析确定PIGRA的谐振模式分布；（2）采用LPKF?激光诱导深度刻蚀（LIDE?）技术在高硼硅酸盐玻璃（Schott BF33）上制造2.5D玻璃谐振器结构；（3）玻璃PCB基板采用物理气相沉积（PVD）镍/铜种子层结合电镀铜加厚工艺实现金属化，并通过激光切割形成CPW传输线和馈电缝隙；（4）采用基于探头的远场单探头天线测量系统在KIT进行射频性能测量，该系统基于Keysight PNA-X N5242B矢量网络分析仪，配备VDI WR6.5-VNAX D波段频率扩展器和GGB Industries 170-GSG-100-BT-M探针；（5）BF33材料介电特性采用Swissto12材料表征套件通过圆波导技术进行表征。样本队列来源为KIT制造和组装。
**研究结果**
**PIGRA在玻璃PCB上的设计**：PIGRA为单片BF33玻璃DRA，由三个堆叠的矩形长方体构成倒金字塔几何结构，较小底面附着于PCB。设计从等效RDRA分析开始，谐振器高度受可用玻璃板厚度0.5 mm限制，经LIDE工艺后减至0.4 mm。根据DWM，RDRA通常设计为其前三个或四个谐振模式位于所需工作频段内。PIGRA的倒金字塔几何结构由等效RDRA推导而来，以支持在频率范围内激发多个谐振模式，从而在不增加天线 footprint 的情况下增强阻抗带宽。通过有限元法本征模分析表明，等效体积的传统矩形DRA在工作频带内仅支持三到四个模式，而PIGRA的前五个谐振模式分布在整个工作带宽内并表现出准横场特性，表明PIGRA的模式分布通过调整其截面轮廓进行了优化。基模TE^y_{1δ1}可建模为侧面上同相y方向磁偶极子集合以及PIGRA底面附近的y方向电偶极子；第二模式TE^y_{2δ1}可表示为围绕PIGRA侧面流动的磁流带。采用缝隙孔径耦合技术通过50 Ω CPW线在单层玻璃PCB上激励PIGRA，缝隙长度约为120 GHz下玻璃中半波长。PCB厚度选为0.1 mm以抑制工作频带内表面波模式的激发。粘合层厚度在5–10 μm范围内仿真，最佳S参数性能出现在约7 μm处。
**Rogers CLTE PCB上的4×4平面阵列**：阵列设计基于先前设计的单一辐射元件。采用平面方形阵列拓扑，因其提供高方向性和孔径效率，同时保持紧凑对称布局。选择4×4矩形阵列配置，元件间距为1.30 mm，对应中心频段（140 GHz）的0.61 λ?间距。在均匀幅度和相位激励下，该配置理论上提供比单个PIGRA元件高12 dB的阵列增益因子。馈电网络设计在Rogers CLTE基板上，厚度76.2 μm，相对介电常数2.98，损耗角正切0.0021。微带馈电网络从100 μm间距的GSG探针焊盘开始，首先采用新型宽带无过孔CPW到微带过渡，然后通过15个宽带Wilkinson功率分配器将射频信号等分为16路。馈电网络内阻抗匹配采用四分之一波长阻抗变换器、多段匹配变换器和锥形传输线段实现。
**制造与组装**：BF33 PIGRA采用LPKF开发的LIDE工艺制造。BF33玻璃片初始厚度0.5 mm，经化学刻蚀、激光烧蚀和抛光工艺后减至0.4 mm。PIGRA实测高度0.41 mm，顶面尺寸1.10 mm×0.80 mm。单辐射体GoG实现采用介电常数6.5（tan δ=0.003）、粗糙度约1 nm、厚度0.1 mm的玻璃基板。玻璃基板通过两步金属化工艺涂覆：第一步在约10 nm镍粘附层上PVD铜，最终总厚度约100 nm；由于D波段频率下趋肤深度约190 nm，需要第二步金属化增加导体厚度以降低导体损耗。随后进行电镀，电流还原溶解的铜离子在溅射玻璃基板上构建均匀金属涂层。PCB和PIGRA在KIT使用Furukawa的AFN303芯片贴装箔组装，预固化厚度10 μm，介电常数2.0–2.2，使用Finetech Fineplacer Pico进行操作，组装样品在120°C下固化一小时。4×4 PIGRA阵列在Rogers CLTE PCB上遵循类似的制造和组装工艺，不同之处在于Rogers CLTE PCB提供两个预金属化铜层，无需PVD和电镀工艺。
**仿真与测量结果**：GoG PIGRA概念和4×4阵列使用CST Microwave Studio进行仿真，采用时域有限差分求解器和六面体网格。单辐射体和阵列的仿真模型分别包含约120万和6800万个网格单元。辐射特性在KIT毫米波实验室使用基于球面单探头的天线测量系统进行测量。由于探头天线与AUT之间距离为700 mm，满足远场条件。增益校准采用增益替代法，使用两个Mi-Wave标准WR6喇叭天线。AUT由低介电常数聚甲基丙烯酰亚胺（ROHACELL 51）泡沫板支撑以最小化对辐射性能的影响。BF33材料介电表征采用Swissto12材料表征套件，基于圆波导技术。实测BF33相对介电常数和损耗角正切分别约为4.4和0.02。实测和仿真S参数表明?10 dB阻抗带宽清晰覆盖整个D波段，两个回波损耗最小值分别位于约118和167 GHz附近。实测Smith圆图显示约167和135 GHz处两个欠耦合谐振，分别与第一和第三谐振模式相关。谐振耦合取决于PIGRA相对于馈电缝隙的位置和馈电缝隙尺寸（由于机械公差）。在138 GHz处实测和仿真垂直极化远场辐射方向图显示主波束指向正侧（天顶+z方向），半功率波束宽度约60°。仿真效率在整个工作频带超过?0.8 dB（83%）。PIGRA在天顶方向（+Z轴）的峰值增益在135 GHz处约为5.8 dBi，包含GSG到CPWG和CPWG线损耗。4×4 PIGRA阵列的S??曲线在几乎整个D波段频率范围内低于?10 dB。垂直极化（V-pol.）分量的实测正侧实现增益在128 GHz处达到峰值15 dBi。交叉极化（H-pol.）分量在整个工作频带内比共极化（V-pol.）分量低20–40 dB。峰值增益频率处的实测辐射方向图与仿真吻合良好，主波束指向正侧，实测前后比约为7–8 dB。仿真与测量之间的微小偏差主要归因于GSG探头的影响。横截面辐射方向图中观察到轻微不对称，主要由馈电网络和探头影响引起。组装公差的影响也进行了研究，玻璃辐射体的实测定位误差低于130 μm，角度失准低于4°。
**讨论与结论**
本文将所提出的方案与近期报道的D波段介质谐振器进行了比较。与已有工作相比，所提出的倒金字塔型玻璃谐振器天线作为单元辐射体和阵列配置均实现了最宽带宽和最高峰值增益，这归因于工作D波段内的多模激励。玻璃谐振器辐射体采用LIDE技术制造，玻璃基PCB采用PVD和电镀两步工艺金属化，这些制造工艺基于成熟的半导体兼容技术。本研究首次展示了集成在经PVD和电镀工艺金属化的玻璃基板上的宽带玻璃基D波段天线，特别验证了2.5D玻璃微加工技术在100 GHz以上的可行性。所展示的结果代表了面向亚太赫兹应用的GoG AiP解决方案的重要进展，有望应用于6G通信系统、后6G技术和雷达传感。研究结论：本文提出了一种面向D波段应用的新型宽带玻璃基天线概念。据作者所知，本工作首次展示了D波段宽带玻璃基GoG天线概念，覆盖110至170 GHz的宽频率范围，单辐射体峰值实现增益为5.8 dBi，在76 μm厚CLTE基板上实现的4×4阵列峰值实现增益为15 dBi。
