CN103811876B - 一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线 - Google Patents

一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片‑介质填充喇叭天线，解决了片载天线辐射效率低、难以端射，以及喇叭天线尺寸大、难以组阵等问题。该喇叭天线包括片载天线，与片载天线连接的矩形波导，与矩形波导连接的喇叭天线，所述片载天线与矩形波导之间还连接有过渡腔体，所述矩形波导的窄边与片载天线的极化方向一致，使得矩形波导于主模（TE10模）工作，过渡腔体、矩形波导、喇叭天线均填充有介质，且矩形波导与喇叭天线填充的介质相同。本发明采用LBE工艺将片载天线的硅衬底刻蚀掉，可产生端射，而且提高了片载天线的辐射效率，减小了矩形波导的尺寸和喇叭的尺寸，达到了组阵的要求，适合大规模推广使用。

Description

一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片 - 介质填充喇叭天线
技术领域
本发明属于电子学、毫米波、太赫兹（100GHz-10THz）技术领域，具体是一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线。
背景技术
近年来，太赫兹波的研究在世界范围内受到了极大的关注，开发电磁波谱中最后一个尚未得到广泛应用的波段的技术变得越来越重要。同时，随着集成电路的发展，把太赫兹收发组件集成在微小的芯片上面成为了现实。
天线，作为接收端的第一个元件和发射端的最后一个元件，都必须与电路相连接，因此为了保证最大功率传输，阻抗匹配是必不可少的环节；此外，由于天线是常规PCB上实现，金丝键合用于将它们连接到集成电路，极大地影响匹配，尤其是在太赫兹这么高的频段，因为这些键合线通常具有不确定性，不能保证可重复性。
同时，在现有的半导体工艺中，衬底一般具有较低的电阻率（通常10 Ω.cm），天线向空间辐射的能量更多的通过衬底的低电阻路径，从而导致增益下降；此外，衬底通常还具有高介电常数（εr=11.9），导致片载天线的辐射功率被限制在衬底里边，而不是被辐射到自由空间，进一步降低了辐射效率。因此，片载天线的设计通常会使用接地面将片载天线与衬底隔开，带来的后果是能量不能从H面辐射出去（端射）；而且，片载天线受限于辐射面积以及辐射效率，其增益往往处于一个非常低的水平（通常小于0dB），无法满足对片载天线增益要求高的场合。为了解决片载天线增益问题，可以将片载天线辐射的能量耦合到波导里面，然后采用喇叭天线作为辐射口径，以增加片载天线的方向性。但是，为了便于设计以及机械加工，通常要求片载天线具有H面辐射特性；而且，喇叭天线尺寸大，无法应用于天线阵列单元。
发明内容
本发明提供一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线，解决了片载天线辐射效率低、难以端射，以及喇叭天线尺寸大、难以组阵等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线，包括片载天线，与片载天线连接的矩形波导，与矩形波导连接的喇叭天线，所述片载天线与矩形波导之间还连接有过渡腔体，所述矩形波导的窄边与片载天线的极化方向一致，使得矩形波导于主模（TE10模）工作，过渡腔体、矩形波导、喇叭天线均填充有介质，且矩形波导与喇叭天线填充的介质相同。
具体地，所述片载天线为CPW馈电的平面八木天线，包括有源振子，两个平行的引向器，与有源振子连接的反射器以及位于有源振子和引向器下方的镂空区域；有源振子的长度为0.4-0.5λg；两个引向器的长度均为0.3-0.4λg，引向器与有源振子的距离为0.2-0.4λg；反射器位于片载天线馈电端的接地面，长度为0.5-0.7λg，其中λg为电磁波在芯片上的工作波长。
进一步地，所述镂空区域采用LBE工艺刻蚀而成。
更进一步地，所述过渡腔体为直线形式的渐变结构，从过渡腔体线性地过渡到矩形波导。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明有源振子下面采用LBE工艺将片载天线的硅衬底刻蚀掉，片载天线的辐射功率不会被限制在衬底里边，而是辐射到自由空间，因此该发明可以产生端射，从而提高了片载天线的辐射效率；
（2）本发明片过渡腔体采用直线形式的渐变结构，从过渡腔体线性地过渡到矩形波导，该过渡腔体和矩形波导均填充适当介电常数的介质，从而减小电磁波在矩形波导中的工作波长，从而减小矩形波导的尺寸；
（3）本发明喇叭天线与矩形波导相连，并与矩形波导填充同样的介质，从而减小喇叭的尺寸，达到组阵的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明片载天线的结构示意图。
图3为本发明实施例140GHz工作频率时的回波损耗。
图4为本发明实施例140GHz工作频率时H面方向图。
图5为本发明实施例140GHz工作频率时E面方向图。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1-片载天线，2-过渡腔体，3-矩形波导，4-喇叭天线，5-有源振子，6-引向器，7-反射器，8-镂空区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1、图2所示，一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线，包括片载天线1，与片载天线连接的矩形波导3，与矩形波导连接的喇叭天线4，所述片载天线与矩形波导之间还连接有过渡腔体2，所述矩形波导的窄边与片载天线的极化方向一致，使得矩形波导于主模（TE10模）工作，过渡腔体、矩形波导、喇叭天线均填充有介质，且矩形波导与喇叭天线填充的介质相同。该介质为适当介电常数的介质，从而减小电磁波在矩形波导中的工作波长，从而达到减小矩形波导尺寸的目的，并且缩小喇叭尺寸，达到组阵的要求。
所述片载天线为CPW馈电的平面八木天线，包括有源振子5，两个平行的引向器6，与有源振子连接的反射器7以及位于有源振子和引向器下方的镂空区域8。
在本实施例中，以140GHz作为工作频率，有源振子的长度为400um；两个引向器的长度均为260um，引向器与有源振子的距离为220um；反射器位于片载天线馈电端的接地面，长度为800um，片载天线选用七层金属层的0.13umBiCMOS工艺，最顶层金属的厚度为2-3um，最底层金属厚度为0.4-0.6um，最顶层金属和最底层金属之间的介质为SiO2，厚度为11um，该片载天线的衬底为硅介质，相对介电常数为12，电阻率为10-20 Ω.cm。
所述镂空区域采用LBE工艺刻蚀而成，镂空区域的尺寸为400um*300um，以避免有源振子辐射的能量过多地被硅衬底吸收，从而提高片载天线的效率。
所述过渡腔体为直线形式的渐变结构，从过渡腔体线性地过渡到矩形波导，过渡腔体的长度为1.15mm，与片载天线相连端的腔体大小为0.9mm*0.8mm，过渡段长度为0.15mm；矩形波导尺寸为0.8mm*0.4um，喇叭天线的口径大小为1.3mm*1.3mm，长度为1.4mm，过渡腔体、矩形波导以及喇叭天线均采用介电常数为2.1的Teflon介质填充。
图3是本发明实施例140GHz工作频率时的回波损耗，由图3可以看出，本发明的带宽范围为132GHz-145GHz。
图4是本发明140GHz工作频率时的H面方向图，图5是本发明140GHz工作频率时的E面方向图，由图可知本天线的增益为6.2dB。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (2)

1.一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线，包括片载天线（1），与片载天线连接的矩形波导（3），与矩形波导连接的喇叭天线（4），其特征在于，所述片载天线与矩形波导之间还连接有过渡腔体（2），所述矩形波导的窄边与片载天线的极化方向一致，使得矩形波导于主模TE10工作，过渡腔体、矩形波导、喇叭天线均填充有介质，且矩形波导与喇叭天线填充的介质相同；所述片载天线为CPW馈电的平面八木天线，包括有源振子（5），两个平行的引向器（6），与有源振子连接的反射器（7）以及位于有源振子和引向器下方的镂空区域（8）；有源振子的长度为0.4-0.5λg；两个引向器的长度均为0.3-0.4λg，引向器与有源振子的距离为0.2-0.4λg；反射器位于片载天线馈电端的接地面，长度为0.5-0.7λg，其中λg为电磁波在芯片上的工作波长；
所述过渡腔体为直线形式的渐变结构，片载天线通过过渡腔体线性地过渡到矩形波导。
2.根据权利要求1所述的一种应用于太赫兹波段相控阵的芯片-介质填充喇叭天线，其特征在于，所述镂空区域采用LBE工艺刻蚀而成。
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