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基于MEMS工藝的八角形前腔 亞毫米波集成喇叭天線(xiàn)解析

2017-11-17 | rar | 0.4 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

1 引言
  在亞毫米波頻段,相比較于微波毫米波頻段,由于頻率更高、波長(zhǎng)更短,因而相應(yīng)的器件尺寸更小。而天線(xiàn)作為尺寸和波長(zhǎng)大小密切相關(guān)的器件,在亞毫米波頻段的設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)。一方面,運(yùn)用新材料、新工藝加工微小尺寸并能滿(mǎn)足亞毫米波公差要求的天線(xiàn);另一方面,根據(jù)亞毫米波系統(tǒng)的特點(diǎn),研究平面集成天線(xiàn),將天線(xiàn)和檢波器、混頻器等器件運(yùn)用集成天路的工藝加工集成在一起,避免分立結(jié)構(gòu)帶來(lái)的連接問(wèn)題。
  MEMS技術(shù)是在20世紀(jì)90年代逐步形成的,具有高性能、高效率、低成本、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。MEMS 技術(shù)在微波、毫米波已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用,由于其對(duì)中等尺度(mesoscale)(1μm~1mm)模型加工具有特殊的優(yōu)越性,因此對(duì)THz波段使用的微小器件的制造具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
  對(duì)于亞毫米波頻段的平面集成天線(xiàn)而言,基片介質(zhì)是需要考慮的重要因素。基片介質(zhì)上的平面天線(xiàn)趨于將大部分能量輻射進(jìn)介質(zhì)中,而不是另一側(cè)的自由空間。解決這個(gè)問(wèn)題通常有兩種方法,一是在基片介質(zhì)一側(cè)集成與相同介電常數(shù)的透鏡;二是采用很薄的基片介質(zhì)。前一種方法需要很高的透鏡加工工藝,介質(zhì)透鏡中的吸收和反射損耗不可避免,且1/4λ匹配層技術(shù)尚有待提高。后一種方法減小了基片介質(zhì)的影響,天線(xiàn)可近似于在自由空間中,但薄基片的支撐弱,需要在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。
  1990年,Rebeiz等人設(shè)計(jì)了集成的喇叭天線(xiàn),他們將平面天線(xiàn)加工在μm量級(jí)厚的介質(zhì)膜片上,膜片內(nèi)置于運(yùn)用MEMS濕法腐蝕而成的硅棱錐喇叭腔。該方法很好的解決了薄膜的支撐問(wèn)題且增強(qiáng)了天線(xiàn)的輻射,但由于硅晶片厚度的限制(通常不超過(guò)800μm),集成喇叭的口徑受到嚴(yán)格限制,為了增強(qiáng)輻射,他們將機(jī)械加工的喇叭口和集成喇叭天線(xiàn)結(jié)合在一起,形成“準(zhǔn)集成”喇叭天線(xiàn),以增強(qiáng)輻射特性。“準(zhǔn)集成”的方案在頻率較低的亞毫米波頻段可行,到了900GHz左右,會(huì)給機(jī)械加工帶來(lái)極大的困難。
  本文提出了一種基于MEMS工藝的新型喇叭結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)適合于亞毫米波高頻段的集成天線(xiàn)。
  2 工藝
  本文中采用的MEMS工藝的主要材料是單晶硅,它具有特殊的晶面結(jié)構(gòu)。所采用的MEMS加工工藝有干法刻蝕,也即深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching, DRIE)和濕法KOH腐蝕(wet KOH etching),兩種工藝中,單晶Si都是重要的材料,其具有多方面的良好特性,以少量摻雜物顯著地改變半導(dǎo)體的性質(zhì),由機(jī)械化學(xué)拋光可獲得nm級(jí)的表面粗糙度,彈性和剛性系數(shù)良好,以及各向異性蝕刻和劈開(kāi)等良好特性。Si濕法各項(xiàng)異性刻蝕下,V形槽可以在(100)基片上制作,其(100)面與(111)面形成54.7°的角,垂直側(cè)面的槽可以在(110)基片上制作,其尺寸容限可達(dá)到1.0μm。
  干法刻蝕可以加工的復(fù)雜形狀的圖形,但同一版的深度是一樣的,且不能太深,無(wú)法在縱向做出較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。濕法腐蝕可以利用單晶硅的晶格方向縱向腐蝕出特定角度的結(jié)構(gòu),但需要掩膜形狀簡(jiǎn)單。
  3 結(jié)構(gòu)
  Rebeiz等人設(shè)計(jì)的集成喇叭天線(xiàn)制作工藝只運(yùn)用了濕法腐蝕工藝加工,受硅晶體的特性所限,棱錐背腔的頂角70.6?,前腔的部分高度受限于硅晶片的厚度,雖然可以通過(guò)多層晶片疊加以增加其高度,但喇叭張角局限于70.6?,因而天線(xiàn)的輻射性能比較固定,尤其是天線(xiàn)的輻射方向圖。盡管可以通過(guò)在前腔之前再集成機(jī)械加工的不同張角的喇叭結(jié)構(gòu)加以改善,但在900GHz頻段,波長(zhǎng)僅有300多μm,機(jī)械加工的精度很難得到保證。
  為此本文提出了一種新型的完全運(yùn)用MEMS工藝加工制作的集成喇叭天線(xiàn)結(jié)構(gòu),如圖所示。
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