基于MEMS工艺的亚毫米波集成喇叭天线

来源: 作者:2018年02月11日 11:52
关键词:毫米波mems

在亚毫米波频段,相比较于微波毫米波频段,由于频率更高、波长更短,因而相应的器件尺寸更小。而天线作为尺寸和波长大小密切相关的器件,在亚毫米波频段的设计具有很大挑战。一方面,运用新材料、新工艺加工微小尺寸并能满足亚毫米波公差要求的天线;另一方面,根据亚毫米波系统的特点,研究平面集成天线,将天线和检波器、混频器等器件运用集成天路的工艺加工集成在一起,避免分立结构带来的连接问题。

MEMS技术是在20世纪90年代逐步形成的,具有高性能、高效率、低成本、高可靠性等诸多优点。MEMS 技术在微波、毫米波已经有了广泛的应用,由于其对中等尺度(mesoscale)(1μm~1mm)模型加工具有特殊的优越性,因此对THz波段使用的微小器件的制造具有明显的优势。

对于亚毫米波频段的平面集成天线而言,基片介质是需要考虑的重要因素。基片介质上的平面天线趋于将大部分能量辐射进介质中,而不是另一侧的自由空间。解决这个问题通常有两种方法,一是在基片介质一侧集成与相同介电常数的透镜;二是采用很薄的基片介质。前一种方法需要很高的透镜加工工艺,介质透镜中的吸收和反射损耗不可避免,且1/4λ匹配层技术尚有待提高。后一种方法减小了基片介质的影响,天线可近似于在自由空间中,但薄基片的支撑弱,需要在结构上加以改进。

1990年,Rebeiz等人设计了集成的喇叭天线,他们将平面天线加工在μm量级厚的介质膜片上,膜片内置于运用MEMS湿法腐蚀而成的硅棱锥喇叭腔。该方法很好的解决了薄膜的支撑问题且增强了天线的辐射,但由于硅晶片厚度的限制(通常不超过800μm),集成喇叭的口径受到严格限制,为了增强辐射,他们将机械加工的喇叭口和集成喇叭天线结合在一起,形成“准集成”喇叭天线,以增强辐射特性。“准集成”的方案在频率较低的亚毫米波频段可行,到了900GHz左右,会给机械加工带来极大的困难。

本文提出了一种基于MEMS工艺的新型喇叭结构,设计适合于亚毫米波高频段的集成天线。

2 工艺

本文中采用的MEMS工艺的主要材料是单晶硅,它具有特殊的晶面结构。所采用的MEMS加工工艺有干法刻蚀,也即深反应离子刻蚀(deep reacTIve ion etching, DRIE)和湿法KOH腐蚀(wet KOH etching),两种工艺中,单晶Si都是重要的材料,其具有多方面的良好特性,以少量掺杂物显著地改变半导体的性质,由机械化学抛光可获得nm级的表面粗糙度,弹性和刚性系数良好,以及各向异性蚀刻和劈开等良好特性。Si湿法各项异性刻蚀下,V形槽可以在(100)基片上制作,其(100)面与(111)面形成54.7°的角,垂直侧面的槽可以在(110)基片上制作,其尺寸容限可达到1.0μm。

干法刻蚀可以加工的复杂形状的图形,但同一版的深度是一样的,且不能太深,无法在纵向做出较复杂的结构。湿法腐蚀可以利用单晶硅的晶格方向纵向腐蚀出特定角度的结构,但需要掩膜形状简单。

3 结构

Rebeiz等人设计的集成喇叭天线制作工艺只运用了湿法腐蚀工艺加工,受硅晶体的特性所限,棱锥背腔的顶角70.6˚,前腔的部分高度受限于硅晶片的厚度,虽然可以通过多层晶片叠加以增加其高度,但喇叭张角局限于70.6˚,因而天线的辐射性能比较固定,尤其是天线的辐射方向图。尽管可以通过在前腔之前再集成机械加工的不同张角的喇叭结构加以改善,但在900GHz频段,波长仅有300多μm,机械加工的精度很难得到保证。

为此本文提出了一种新型的完全运用MEMS工艺加工制作的集成喇叭天线结构,如图所示。

图1 新型集成喇叭天线结构示意图

A部分是运用湿法腐蚀工艺在硅晶片上加工出的棱锥喇叭腔,其顶角的角度是70.6˚,腔体内部溅射上一层金层,使之金属化。B部分是运用光刻工艺在薄膜上制作的偶极子天线,C部分是综合运用干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺加工制作的八角形喇叭结构。加工工艺步骤如下:

步骤一:干法刻蚀,刻蚀深度t_dry,喇叭张角θ。为了和棱锥喇叭背腔结构集成,t_dry为背腔开口宽度a的1/2。

步骤二:KOH湿法腐蚀工,腐蚀深度t_wet,形成纵向角度ε。此步骤结束后形成了八角喇叭的一半。

步骤三:在喇叭内侧溅射上金层,使之金属化。再将两块同样的晶片键合在一起,用划片技术划去多余的部分,露出喇叭开口,形成集成喇叭的C部分,即八角形喇叭前腔。

最后将A部分棱锥喇叭背腔,B部分薄膜基片平面天线和C部分形喇叭前腔集成在一起,就形成了最终的集成喇叭结构。棱锥喇叭腔A上可以刻蚀出沟槽,留给与平面天线集成的传输线和电路结构使用。

上述结构完全运用MEMS工艺,极大地满足了加工精度的需求,并且该结构可以改变前腔部分的张角θ,湿法腐蚀深度t_wet。干法刻蚀深度t_dry等于棱锥喇叭背腔高度的一半。根据不同的应用需求选择合适的参数,以获得合理的方向图。

4 仿真

运用有限元法,对集成喇叭整体结构进行建模。模型中,平面集成天线选择偶极子天线结构,偶极子长度0.4λ,工作频率900GHz,其辐射方向图及驻波特性如下:

图2 900GHz偶极子天线的辐射方向图及驻波曲线

棱锥喇叭腔A高度ha,对集成喇叭天线的性能有很大影响,在固定B部分的参数θ、t_wet后,选取喇叭腔的高度分别0.4λ、0.7λ和0.9λ,得到天线辐射方向图如下:

当ha增大时,天线主瓣宽度增大,在达到0.8λ以后,出现明显裂瓣。

图3 不同背腔高度(0.4λ,0.7λ和0.9λ)下的辐射方向图

图4 不同背腔高度(0.4λ、0.5λ、0.7λ和0.9λ)下的VSWR

通过驻波曲线结果可以看出,随着ha的增大,驻波出现恶化。因此,综合天线的辐射特性和驻波特性,选择ha=0.4λ。喇叭背腔的高度ha对天线的辐射特性和匹配特性存在着重大的影响,其结构类似于夹角反射器。

选取ha=0.4λ,l=1.4mm,设定不同的干法刻蚀张角θ值,并选择合适的湿法腐蚀深度t_wet,使得喇叭口径形状旋转对称。当θ值分别选取20˚,30˚和40˚时,得到辐射方向图及结果如下:

图5 干法刻蚀张角θ=30˚

表1 不同干法刻蚀张角θ下的结果

θ (度)增益HPBW(E 面)HPBW(H 面)

20˚14.140˚34˚

30˚15.928˚28˚

40˚17.224˚26˚

图6 不同喇叭张角下(θ=20˚,θ=40˚,θ=60˚)

天线驻波曲线图

从上述方向图及结果可以看出,干法刻蚀喇叭张角的改变,影响了天线的辐射方向图。当喇叭张角θ增大时,天线的3dB波瓣宽度变窄,增益增大,这是由于在固定喇叭长度的条件下,张角θ越大,喇叭口径越大,因此波瓣更窄且增益更大。这与传统的喇叭天线理论一致。天线的驻波曲线并没有随着喇叭张角的改变有很大改变,这表明影响天线匹配性的主要因素是背腔的高度。在实际应用中,可以通过控制喇叭开口的张角θ,设计出满足应用需求的集成喇叭天线。仿真中,我们选择的湿法腐蚀深度t_wet使得喇叭口径的高度和宽度基本一致,在实际应用中,t_wet的选择应根据E面方向图的要求进行选择,极限情况是不进行湿法腐蚀,而只进行干法刻蚀。湿法腐蚀的深度t_wet受到硅晶片厚度的限制。

在上面三个不同θ角度的方向图中,当θ=30˚时,E面和H面主瓣基本对称,固定θ值,改变八角形喇叭前腔长度l。

表2 不同前腔长度l下的结果

l (mm)增益HPBW(E 面)HPBW(H 面)

1.415.928˚28˚

2˚18.622˚22˚

2.5˚2018˚18˚

从结果可以看出,当固定θ值,改变l值,尽管天线的长度改变,E面和H面方向图的主瓣宽度仍然保持基本一致。随着l值的增大,天线增益增加,主瓣变窄。

5 结论

通过上文对集成喇叭天线在900GHz频段的有限元法分析,可以看出,我们提出的基于MEMS工艺的新型八角形前腔集成喇叭天线,能够很好的改善平面集成天线的辐射特性。喇叭天线的可控参数包括背腔高度ha、喇叭前腔张角θ、喇叭前腔长度l、喇叭前腔干法刻蚀深度t_dry以及喇叭前腔湿法腐蚀深度t_wet,通过综合优化这些参数,我们可以设计出符合设计应用的集成喇叭天线。平面集成天线的形式也不局限于采用偶极子天线,可以通过采用其他形式的平面集成天线来实现合适的带宽、极化等性能。进一步的研究中,可以将集成喇叭天线组成阵列。

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