CN103531909A - 太赫兹频扫h面扇形喇叭天线及其在体硅mems工艺下的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法，适用于太赫兹波段通信及探测等应用。本发明的太赫兹频扫H面扇形喇叭天线采用了多个具有有益效果的结构：喇叭天线的侧壁展开方式选取了弯曲渐开，使得天线的等相位面能够发生变化，产生波束偏转；渐开的曲线选取了两条平滑过渡的对数曲线，使得天线馈电部分与辐射结构能有良好的阻抗匹配；两条对数曲线选取的底数不同，在使得口面不断扩大的同时，优化了天线波束随频率变化的效果，得到对应不同频率不同的波束指向。

Description

太赫兹频扫H面扇形喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法，适用于太赫兹波段通信及探测等应用。

背景技术

频扫天线，多应用于雷达，在无线探测领域也具有应用前景。在国内外之前的研究工作中，频扫天线大多是阵列结构，通过馈电网络的设计，实现单元相位分布随频率变化，或者是采取漏波天线形式，通过设计使得辐射结构不同位置的等效源相位分布随频率变化。随着工艺的发展以及设计思路的开拓，近年来，出现了一些新形式的频扫天线，例如基片集成波导形式的漏波天线阵列，以及体现新性能的频扫天线，例如多极化，等等。从原理上来看，都是对辐射口面的等相位面进行调整。但是，采用单一的传统形式天线单元实现频扫特性，尚未见报道。尤其在太赫兹频段，未见到有关于频扫天线的实例。体硅MEMS工艺以其微小尺寸和加工精度优势，在太赫兹天线实现方面已被应用，近年来利用国内工艺水平研制了MEMS太赫兹喇叭天线以及电磁晶体集成天线等，并取得了很好的测试结果。因此，体硅MEMS工艺是太赫兹频扫扇形喇叭天线的可靠制备方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种工作在太赫兹的频扫H面扇形喇叭天线及其利用国内现有体硅MEMS工艺制备的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线，天线的辐射结构是由传统H面扇形喇叭天线演化得到；整体形状为向一侧弯曲的渐开喇叭；由馈电波导口至辐射口采取渐变扩展的结构；扩展方向平行于天线的H面；渐变曲线采取两条底数不同的对数曲线；馈电方式为矩形波导馈电；

本发明的利用体硅MEMS工艺对太赫兹频扫H面扇形喇叭天线的制备方法，具体步骤如下：

（1）选取一个双面抛光<110>SOI硅片，双面热生长氧化层，利用掩膜版光刻形成需要刻蚀的太赫兹频扫天线图形窗口。

（2）将步骤1）中的窗口部分利用ICP干法深槽刻蚀，形成侧壁垂直的槽；

（3）利用溅射金工艺完成硅片的槽内侧面以及底部的金属化，准备键合；

（4）选取另一个双面抛光<110>SOI硅片，在硅片表面溅射金层，使硅片表面金属化；

（5）对两片硅片进行对位后，即将步骤4）中的硅片放置于步骤3）得到的硅片的上面，利用金-金热压键合技术，得到加工成品。

有益效果

本发明的太赫兹频扫H面扇形喇叭天线采用了多个具有有益效果的结构：喇叭天线的侧壁展开方式选取了弯曲渐开，使得天线的等相位面能够发生变化，产生波束偏转；渐开的曲线选取了两条平滑过渡的对数曲线，使得天线馈电部分与辐射结构能有良好的阻抗匹配；两条对数曲线选取的底数不同，在使得口面不断扩大的同时，优化了天线波束随频率变化的效果，得到对应不同频率不同的波束指向。

本发明的太赫兹频扫H面扇形喇叭天线的体硅MEMS工艺制备方法带来的有益效果是，该工艺的工艺物理特性满足太赫兹频段天线加工要求，且精度高，一致性好，成本低。

本发明的天线工作在350GHz至372GHz范围内，带内的驻波比小于1.25，带内增益大于11.1dB，波束频扫角度可达到10.5°。

附图说明

图1是本发明设计原理示意图；

图2是本发明天线几何尺寸示意图；

图3是本发明天线在体硅MEMS工艺下的制备流程示意图；

图4是本发明实施例在350GHz至372GHz内的电压驻波比曲线；

图5是本发明实施例在350GHz至372GHz内的增益曲线；

图6是本发明实施例在350GHz至372GHz内的辐射口面相位分布曲线族；

图7是本发明实施例在350GHz至372GHz内的频扫方向图；

图中：

1—硅片A

2—硅片B

3—天线结构刻蚀槽

4—天线辐射口面

5—馈电波导口面

6—键合并划片后的天线单元

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例

如图1和图2所示，一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线，天线的辐射结构是由传统H面扇形喇叭天线演化得到；整体形状为向一侧弯曲的渐开喇叭；馈电方式为波导馈电，波导型号为WR2.2（559um×279um）；由馈电波导口至辐射口采取渐变扩展的结构；扩展方向平行于天线的H面；渐变曲线采取两条底数不同的对数曲线。该实施例中天线的结构尺寸如下：

A=4.71mm，L=6.27mm

f₁(x)=log₅x，错误！未找到引用源。f₂(x)=log_1.7x

如图3所示，一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线利用体硅MEMS工艺制备的方法步骤如下：

（1）选取一个双面抛光<110>SOI硅片，双面热生长氧化层，利用掩膜版光刻形成需要刻蚀的太赫兹频扫天线图形窗口。

（2）ICP干法深槽刻蚀，形成侧壁垂直的槽。

（3）利用溅射金工艺完成硅片的硅槽侧面以及底部的金属化，准备键合。

（4）选取另一个双面抛光<110>SOI硅片，溅射金层，使硅圆片表面金属化。

（5）对两片硅片进行精确对位后，利用金-金热压键合技术，得到加工成品。

其中，选取的两片硅片厚度均为400um，划片得到的每个天线外形尺寸为：长10mm；宽7mm。

得到的天线设计结果，包括驻波比，增益，相位分布，频扫特性等，分别绘于图4，图5，图6和图7中。

由设计结果可得，本发明工作在350GHz至372GHz范围内，得到了良好的阻抗匹配，带内的驻波比小于1.25，曲线如图4所示。

由设计结果可得，在基本辐射特性方面，得到了较高的增益，带内增益大于11.1dB，曲线如图5所示。

由设计结果可得，在频扫特性方面，天线口面处在H面一维的等相位面随着频率在350GHz到372GHz范围内变化，倾斜角度呈现单调变化，曲线如图6所示，因此，波束在350GHz至372GHz范围内，频扫角度可达到10.5°，曲线如图7所示。下表中所列为工作频带内典型频点的H面频扫波束指向变化：

频率(GHz)	350	361	372
				波束指向	15°	20.5°	25.5°

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种太赫兹频扫H面扇形喇叭天线，其特征在于：天线的辐射结构是由H面扇形喇叭天线演化得到；整体形状为向一侧弯曲的渐开喇叭；由馈电波导口至辐射口采取渐变扩展的结构；扩展方向平行于天线的H面；渐变曲线采取两条底数不同的对数曲线；馈电方式为矩形波导馈电。

2.利用体硅MEMS工艺对太赫兹频扫H面扇形喇叭天线的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）选取一个双面抛光<110>SOI硅片，双面热生长氧化层，利用掩膜版光刻形成需要刻蚀的太赫兹频扫天线图形窗口；

（2）将步骤1）中的窗口部分利用ICP干法深槽刻蚀，形成侧壁垂直的槽；

（3）利用溅射金工艺完成硅片的槽内侧面以及底部的金属化，准备键合；

（4）选取另一个双面抛光<110>SOI硅片，在硅片表面溅射金层，使硅片表面金属化；

（5）对两片硅片进行对位后，即将步骤4）中的硅片放置于步骤3）得到的硅片的上面，利用金-金热压键合技术，得到加工成品。

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