根据MEMS工艺的八角形前腔 亚毫米波集成喇叭天线

1 导言

在亚毫米波频段，相比较于微波毫米波频段，因为频率更高、波长更短，因而相应的器材标准更小。而天线作为标准和波长巨细密切相关的器材，在亚毫米波频段的规划具有很大应战。一方面，运用新资料、新工艺加工细小标准并能满意亚毫米波公役要求的天线；另一方面，依据亚毫米波体系的特色，研讨平面集成天线，将天线和检波器、混频器等器材运用集成天路的工艺加工集成在一起，防止分立结构带来的衔接问题。

MEMS技能是在20世纪90年代逐步构成的，具有高功能、高效率、低成本、高可靠性等许多长处。MEMS 技能在微波、毫米波已经有了广泛的运用，因为其对中等标准（mesoscale）（1μm～1mm）模型加工具有特别的优越性，因而对THz波段运用的细小器材的制造具有显着的优势。

关于亚毫米波频段的平面集成天线而言，基片介质是需求考虑的重要因素。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。处理这个问题一般有两种办法，一是在基片介质一侧集成与相同介电常数的透镜；二是选用很薄的基片介质。前一种办法需求很高的透镜加工工艺，介质透镜中的吸收和反射损耗不可防止，且1/4λ匹配层技能尚有待进步。后一种办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，需求在结构上加以改进。

1990年，Rebeiz等人规划了集成的喇叭天线，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。该办法很好的处理了薄膜的支撑问题且增强了天线的辐射，但因为硅晶片厚度的约束（一般不超越800μm），集成喇叭的口径遭到严厉约束，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，构成“准集成”喇叭天线，以增强辐射特性。“准集成”的计划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。

本文提出了一种依据MEMS工艺的新式喇叭结构，规划适合于亚毫米波高频段的集成天线。

2 工艺

本文中选用的MEMS工艺的首要资料是单晶硅，它具有特别的晶面结构。所选用的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都是重要的资料，其具有多方面的杰出特性，以少数掺杂物显著地改动半导体的性质，由机械化学抛光可取得nm级的外表粗糙度，弹性和刚性系数杰出，以及各向异性蚀刻和劈开等杰出特性。Si湿法各项异性刻蚀下，V形槽能够在（100）基片上制造，其（100）面与（111）面构成54.7°的角，笔直旁边面的槽能够在（110）基片上制造，其标准容限可到达1.0μm。

干法刻蚀能够加工的杂乱形状的图形，但同一版的深度是相同的，且不能太深，无法在纵向做出较杂乱的结构。湿法腐蚀能够运用单晶硅的晶格方向纵向腐蚀出特定视点的结构，但需求掩膜形状简略。

3 结构

Rebeiz等人规划的集成喇叭天线制造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，虽然能够经过多层晶片叠加以添加其高度，但喇叭张角局限于70.6˚，因而天线的辐射功能比较固定，尤其是天线的辐射方向图。虽然能够经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进，但在900GHz频段，波长仅有300多μm，机械加工的精度很难得到确保。

为此本文提出了一种新式的彻底运用MEMS工艺加工制造的集成喇叭天线结构，如图所示。

图1 新式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，其顶角的视点是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造的偶极子天线，C部分是归纳运用干法刻蚀和湿法腐蚀两种工艺加工制造的八角形喇叭结构。加工工艺过程如下：

过程一：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。

过程二：KOH湿法腐蚀工，腐蚀深度t_wet，构成纵向视点ε。此过程完毕后构成了八角喇叭的一半。

过程三：在喇叭内侧溅射上金层，使之金属化。再将两块相同的晶片键合在一起，用划片技能划去剩余的部分，显露喇叭开口，构成集成喇叭的C部分，即八角形喇叭前腔。

终究将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，就构成了终究的集成喇叭结构。棱锥喇叭腔A上能够刻蚀出沟槽，留给与平面天线集成的传输线和电路结构运用。

上述结构彻底运用MEMS工艺，极大地满意了加工精度的需求，而且该结构能够改动前腔部分的张角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。依据不同的运用需求挑选适宜的参数，以取得合理的方向图。

4 仿真

运用有限元法，对集成喇叭全体结构进行建模。模型中，平面集成天线挑选偶极子天线结构，偶极子长度0.4λ，作业频率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，对集成喇叭天线的功能有很大影响，在固定B部分的参数θ、t_wet后，选取喇叭腔的高度别离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，在到达0.8λ今后，呈现显着裂瓣。

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

经过驻波曲线成果能够看出，跟着ha的增大，驻波呈现恶化。因而，归纳天线的辐射特性和驻波特性，挑选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严重的影响，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，并挑选适宜的湿法腐蚀深度t_wet，使得喇叭口径形状旋转对称。当θ值别离选取20˚，30˚和40˚时，得到辐射方向图及成果如下：

图5 干法刻蚀张角θ=30˚

表1 不同干法刻蚀张角θ下的成果

图6 不同喇叭张角下（θ=20˚，θ=40˚，θ=60˚）
天线驻波曲线图

从上述方向图及成果能够看出，干法刻蚀喇叭张角的改动，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，这是因为在固定喇叭长度的条件下，张角θ越大，喇叭口径越大，因而波瓣更窄且增益更大。这与传统的喇叭天线理论共同。天线的驻波曲线并没有跟着喇叭张角的改动有很大改动，这表明影响天线匹配性的首要因素是背腔的高度。在实践运用中，能够经过操控喇叭开口的张角θ，规划出满意运用需求的集成喇叭天线。仿真中，咱们挑选的湿法腐蚀深度t_wet使得喇叭口径的高度和宽度根本共同，在实践运用中，t_wet的挑选应依据E面方向图的要求进行挑选，极限状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遭到硅晶片厚度的约束。

在上面三个不同θ视点的方向图中，当θ=30˚时，E面和H面主瓣根本对称，固定θ值，改动八角形喇叭前腔长度l。

表2 不同前腔长度l下的成果

从成果能够看出，当固定θ值，改动l值，虽然天线的长度改动，E面和H面方向图的主瓣宽度依然坚持根本共同。跟着l值的增大，天线增益添加，主瓣变窄。

5 定论

经过上文对集成喇叭天线在900GHz频段的有限元法剖析，能够看出，咱们提出的依据MEMS工艺的新式八角形前腔集成喇叭天线，能够很好的改进平面集成天线的辐射特性。喇叭天线的可控参数包含背腔高度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，经过归纳优化这些参数，咱们能够规划出契合规划运用的集成喇叭天线。平面集成天线的方式也不局限于选用偶极子天线，能够经过选用其他方式的平面集成天线来完成适宜的带宽、极化等功能。进一步的研讨中，能够将集成喇叭天线组成阵列。