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)計具有很大挑戰(zhàn)。一方面，運用新材料、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，研究平面集成天線，將天線和檢波器、混頻器等器件運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。MEMS 技術(shù)在微波、毫米波已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，由于其對中等尺度（mesoscale）（1μm～1mm）模型加工具有特殊的優(yōu)越性，因此對THz波段使用的微小器件的制造具有明顯的優(yōu)勢。

對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介質(zhì)中，而不是另一側(cè)的自由空間。解決這個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。

1990年，Rebeiz等人設(shè)計了集成的喇叭天線，他們將平面天線加工在μm量級厚的介質(zhì)膜片上，膜片內(nèi)置于運用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格限制，為了增強輻射，他們將機械加工的喇叭口和集成喇叭天線結(jié)合在一起，形成“準集成”喇叭天線，以增強輻射特性。“準集成”的方案在頻率較低的亞毫米波頻段可行，到了900GHz左右，會給機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)，由機械化學(xué)拋光可獲得nm級的表面粗糙度，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)計的集成喇叭天線制作工藝只運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部分是運用光刻工藝在薄膜上制作的偶極子天線，C部分是綜合運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

運用有限元法，對集成喇叭整體結(jié)構(gòu)進行建模。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，天線主瓣寬度增大，在達到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)對稱。當(dāng)θ值分別選取20?，30?和40?時，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，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。在實際應(yīng)用中，可以通過控制喇叭開口的張角θ，設(shè)計出滿足應(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，在實際應(yīng)用中，t_wet的選擇應(yīng)根據(jù)E面方向圖的要求進行選擇，極限情況是不進行濕法腐蝕，而只進行干法刻蝕。濕法腐蝕的深度t_wet受到硅晶片厚度的限制。

在上面三個不同θ角度的方向圖中，當(dāng)θ=30?時，E面和H面主瓣基本對稱，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)計出符合設(shè)計應(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現(xiàn)合適的帶寬、極化等性能。進一步的研究中，可以將集成喇叭天線組成陣列。