基于MEMS工藝的八角形前腔 亞毫米波集成喇叭天線

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、波長更短，因而相應(yīng)的器件尺寸更小。而天線作為尺寸和波長大小密切相關(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足亞毫米波公差要求的天線；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，將天線和檢波器、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)帶來的連接問題。

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，他們將平面天線加工在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題且增強(qiáng)了天線的輻射，但由于硅晶片厚度的限制（通常不超過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結(jié)合在一起，形成“準(zhǔn)集成”喇叭天線，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。

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)，但需要掩膜形狀簡單。

3 結(jié)構(gòu)

Rebeiz等人設(shè)計(jì)的集成喇叭天線制作工藝只運(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?，因而天線的輻射性能比較固定，尤其是天線的輻射方向圖。盡管可以通過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結(jié)構(gòu)，如圖所示。

圖1 新型集成喇叭天線結(jié)構(gòu)示意圖

A部分是運(yùn)用濕法腐蝕工藝在硅晶片上加工出的棱錐喇叭腔，其頂角的角度是70.6?，腔體內(nèi)部濺射上一層金層，使之金屬化。B部分是運(yùn)用光刻工藝在薄膜上制作的偶極子天線，C部分是綜合運(yùn)用干法刻蝕和濕法腐蝕兩種工藝加工制作的八角形喇叭結(jié)構(gòu)。加工工藝步驟如下：

步驟一：干法刻蝕，刻蝕深度t_dry，喇叭張角θ。為了和棱錐喇叭背腔結(jié)構(gòu)集成，t_dry為背腔開口寬度a的1/2。

步驟二：KOH濕法腐蝕工，腐蝕深度t_wet，形成縱向角度ε。此步驟結(jié)束后形成了八角喇叭的一半。

步驟三：在喇叭內(nèi)側(cè)濺射上金層，使之金屬化。再將兩塊同樣的晶片鍵合在一起，用劃片技術(shù)劃去多余的部分，露出喇叭開口，形成集成喇叭的C部分，即八角形喇叭前腔。

最后將A部分棱錐喇叭背腔，B部分薄膜基片平面天線和C部分形喇叭前腔集成在一起，就形成了最終的集成喇叭結(jié)構(gòu)。棱錐喇叭腔A上可以刻蝕出溝槽，留給與平面天線集成的傳輸線和電路結(jié)構(gòu)使用。

上述結(jié)構(gòu)完全運(yùn)用MEMS工藝，極大地滿足了加工精度的需求，并且該結(jié)構(gòu)可以改變前腔部分的張角θ，濕法腐蝕深度t_wet。干法刻蝕深度t_dry等于棱錐喇叭背腔高度的一半。根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的參數(shù)，以獲得合理的方向圖。

4 仿真

運(yùn)用有限元法，對(duì)集成喇叭整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。模型中，平面集成天線選擇偶極子天線結(jié)構(gòu)，偶極子長度0.4λ，工作頻率900GHz，其輻射方向圖及駐波特性如下：

圖2 900GHz偶極子天線的輻射方向圖及駐波曲線

棱錐喇叭腔A高度ha，對(duì)集成喇叭天線的性能有很大影響，在固定B部分的參數(shù)θ、t_wet后，選取喇叭腔的高度分別0.4λ、0.7λ和0.9λ，得到天線輻射方向圖如下：

當(dāng)ha增大時(shí)，天線主瓣寬度增大，在達(dá)到0.8λ以后，出現(xiàn)明顯裂瓣。

圖3 不同背腔高度（0.4λ，0.7λ和0.9λ）下的輻射方向圖

圖4 不同背腔高度（0.4λ、0.5λ、0.7λ和0.9λ）下的VSWR

通過駐波曲線結(jié)果可以看出，隨著ha的增大，駐波出現(xiàn)惡化。因此，綜合天線的輻射特性和駐波特性，選擇ha=0.4λ。喇叭背腔的高度ha對(duì)天線的輻射特性和匹配特性存在著重大的影響，其結(jié)構(gòu)類似于夾角反射器。

選取ha=0.4λ，l=1.4mm，設(shè)定不同的干法刻蝕張角θ值，并選擇合適的濕法腐蝕深度t_wet，使得喇叭口徑形狀旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。當(dāng)θ值分別選取20?，30?和40?時(shí)，得到輻射方向圖及結(jié)果如下：

圖5 干法刻蝕張角θ=30?

表1 不同干法刻蝕張角θ下的結(jié)果

圖6 不同喇叭張角下（θ=20?，θ=40?，θ=60?）
天線駐波曲線圖

從上述方向圖及結(jié)果可以看出，干法刻蝕喇叭張角的改變，影響了天線的輻射方向圖。當(dāng)喇叭張角θ增大時(shí)，天線的3dB波瓣寬度變窄，增益增大，這是由于在固定喇叭長度的條件下，張角θ越大，喇叭口徑越大，因此波瓣更窄且增益更大。這與傳統(tǒng)的喇叭天線理論一致。天線的駐波曲線并沒有隨著喇叭張角的改變有很大改變，這表明影響天線匹配性的主要因素是背腔的高度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過控制喇叭開口的張角θ，設(shè)計(jì)出滿足應(yīng)用需求的集成喇叭天線。仿真中，我們選擇的濕法腐蝕深度t_wet使得喇叭口徑的高度和寬度基本一致，在實(shí)際應(yīng)用中，t_wet的選擇應(yīng)根據(jù)E面方向圖的要求進(jìn)行選擇，極限情況是不進(jìn)行濕法腐蝕，而只進(jìn)行干法刻蝕。濕法腐蝕的深度t_wet受到硅晶片厚度的限制。

在上面三個(gè)不同θ角度的方向圖中，當(dāng)θ=30?時(shí)，E面和H面主瓣基本對(duì)稱，固定θ值，改變八角形喇叭前腔長度l。

表2 不同前腔長度l下的結(jié)果

從結(jié)果可以看出，當(dāng)固定θ值，改變l值，盡管天線的長度改變，E面和H面方向圖的主瓣寬度仍然保持基本一致。隨著l值的增大，天線增益增加，主瓣變窄。

5 結(jié)論

通過上文對(duì)集成喇叭天線在900GHz頻段的有限元法分析，可以看出，我們提出的基于MEMS工藝的新型八角形前腔集成喇叭天線，能夠很好的改善平面集成天線的輻射特性。喇叭天線的可控參數(shù)包括背腔高度ha、喇叭前腔張角θ、喇叭前腔長度l、喇叭前腔干法刻蝕深度t_dry以及喇叭前腔濕法腐蝕深度t_wet，通過綜合優(yōu)化這些參數(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)應(yīng)用的集成喇叭天線。平面集成天線的形式也不局限于采用偶極子天線，可以通過采用其他形式的平面集成天線來實(shí)現(xiàn)合適的帶寬、極化等性能。進(jìn)一步的研究中，可以將集成喇叭天線組成陣列。