CN110401022B - 基于mems工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于缝隙阵列天线技术领域，提供一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，用以解决在限制天线面积或者固定波束宽度情况下，希望能够进一步提升天线增益的问题，本发明利用MEMS工艺，为了易于方向图赋形，采用缝隙作为天线辐射单元，为了满足固定天线波束宽度要求下同时提升天线增益，通过在传统的辐射缝隙单元上方加载辐射匹配层和辐射口面层，适当调节辐射匹配层和辐射口面层的空气腔尺寸以及辐射缝隙位置，可以实现不改变波束宽度条件下的天线增益提升效果。

Description

基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线
技术领域
本发明属于缝隙天线技术领域，具体为一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线
背景技术
天线作为雷达系统应用的前端，其性能的优劣会直接影响雷达系统的性能，雷达系统的分辨率以及抗干扰能力与天线的性能更是息息相关，因此对天线提出了很高的要求。为了提升雷达系统的精确度，工作频率需要向毫米波频段发展，毫米波天线具有体积小、便于携带等优势，可也面临着更大的空间损耗和大气吸收等问题，因此需要发展毫米波高增益天线补偿空间中的电磁能量损耗；为了保证雷达系统的分辨率和抗干扰能力，需要准确控制天线方向图的波束宽度和调节方向图副瓣，缝隙天线结构简单紧凑，易于调控，在天线方向图赋形方面具有优势。
高增益缝隙阵列天线主要通过减少馈电网络损耗或者增加天线单元的辐射能力，各种工艺下的缝隙阵列天线得到了研究，一种基于PCB工艺的基片集成波导缝隙阵列天线在“J.Wang,Y.J.Cheng.W-band high gain slot array antenna with low sidelobelevel[C].5th Asia-Pacific Conference on Antenna and Propagation.2016:27-28”中得到了研究，由于馈电网络层的介质损耗，该16×16规模的天线阵列增益测试值为25dBi。除此之外，一种基于激光刻蚀工艺的空气填充波导缝隙阵列天线在“L.Shi,G.Q.Zhao,H.J.Sun,“Research on high-precision waveguide slot array,”.Proc.2013IEEEInt.Conf.On Micro.Tech.&Compu.Electro.,Qingdao,China,2013,pp.39–42”中得到了研究，馈电网络没有介质填充，因此馈电网络的损耗几乎可以忽略，但是其辐射单元仅仅采用了常规的缝隙单元，其单元辐射能力不足，该10×10规模的天线阵列增益测试值为22.3dBi。因此，高增益天线需要从提升单元辐射能力和减小馈电网络损耗去设计。MEMSMicro-Electro-Mechanical System全称为微机电系统，其中的MEMS体硅工艺通过对硅片进行选择性刻蚀然后金属化，并且将多层硅片金金键合，可以制造出具有高精度的三维立体目的结构，由于没有介质损耗，基于MEMS工艺的天线结构具备低损耗的特性。
基于此，本发明提供了一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线
发明内容
本发明目的在于保证雷达系统分辨率对天线波束宽度限制的同时，又要保证天线的高增益性能，提供一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，用以实现不增加缝隙天线阵列规模和不改变天线波束宽度的同时，可以达到提升缝隙天线增益的效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，包括10层硅片，从上到下依次为辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6、辐射缝隙层7、辐射波导上层8、辐射波导下层9、垂直过渡层10；
所述辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6，每一层硅片都设有空气腔并且对其金属化，所述6层硅片的空气腔位置上下对齐；
所述辐射缝隙层7在硅片上设有n个缝隙并对其金属化，n≥4，相邻缝隙中心距离相等，所述n个缝隙相对于辐射缝隙层中心线11左右交替排布，其中，第1个和第n个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第2个和第n-1个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第3个和第n-2个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同……依次类推，相邻缝隙的中心之间的距离相同为半个波导波长，第n个缝隙距离辐射缝隙层短路壁12的距离为1/4个波导波长；
辐射波导上层8和辐射波导下层9的硅片中都设有空气腔并且对其金属化；辐射缝隙层中心线11、辐射波导上层中心线81、辐射波导下层中心线91三者左右对齐，辐射缝隙层短路壁12、辐射波导上层短路壁82、辐射波导下层短路壁92三者上下对齐；
所述10层硅片各层之间通过金金键合连接固定，垂直过渡层10的硅片左侧设有一个空气腔并且对其金属化。
作为优选方式，所述辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6，每一层硅片的空气腔都为一个大小相等的矩形通槽。传统的缝隙天线辐射能力不足，且其方向图的波束宽度主要受辐射缝隙数量限制，在成像雷达应用场景中，需要在不影响波束宽度的基础上尽可能提升缝隙天线增益，而天线增益与其辐射口径的面积呈正比关系，因此，考虑在辐射缝隙层7上方加载辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6增大天线的辐射口径，通过适当调节矩形通槽尺寸可以达到不改变方向图波束宽度且同时提升缝隙天线增益。
作为优选方式，所述辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3结构相同，每一层硅片中的空气腔都包括四个空气槽，四个空气槽之间通过支撑条13隔开，且每一层中间的两个空气槽大于两端的两个空气槽，所述辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3的支撑条上下对齐；所述匹配层上层4、匹配层中层5和匹配层下层6结构相同，每一层硅片中都包括两个相同的空气槽，两个空气槽之间通过支撑条隔开，所述匹配层上层4、匹配层中层5和匹配层下层6位于中心的支撑条，和辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3位于中心的支撑条上下对齐。通过在通槽中间适当添加支撑条13，以增强整体结构的稳定性。
作为优选方式，辐射波导上层8和辐射波导下层9结构相同，所述空气腔为一个矩形通槽。波导缝隙天线的传输线就是封闭的矩形波导，将电磁波束缚在封闭矩形结构中传输，而矩形波导本身具有一定的高度，根据简单的仿真确定出两层硅片厚度即可满足矩形波导高度的要求。通过在辐射波导上层8和辐射波导下层9中刻蚀出相同的矩形通槽，以形成矩形波导传输线结构。
作为优选方式，所述辐射缝隙层7在硅片上设有8个缝隙并且对其金属化，其中第一缝隙71和第八缝隙78长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第二缝隙72和第七缝隙77长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第三缝隙73和第六缝隙76长度相同且且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第四缝隙74和第五缝隙75长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同。
缝隙天线通过在波导宽边开设偏置的缝隙，通过切割电磁场使得波导中的电磁能量向空间辐射。缝隙天线可以分为驻波阵和行波阵，本发明设计中采用的是驻波阵，对于驻波阵来讲，辐射缝隙层7中的第八缝隙78距离辐射缝隙层短路壁12为四分之一波导波长，相邻缝隙之间的距离为二分之一波导波长且左右交替排布，为了使得相邻缝隙的空间相位同向叠加，达到同向辐射的目的。其中第一缝隙71和第八缝隙78长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第二缝隙72和第七缝隙77长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第三缝隙73和第六缝隙76长度相同且且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第四缝隙74和第五缝隙75长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，该设置是为了对缝隙天线的方向图赋形，使方向图对称。
所述的辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5和匹配层下层6可以在不影响缝隙阵列天线方向图波束宽度条件下，达到提升缝隙阵列天线增益的效果。
合理调节辐射缝隙层7上方各层硅片中空气腔的尺寸，可以达到提升缝隙阵列天线增益的效果。
本发明的工作原理在于：
所述的高增益缝隙阵列天线由关于辐射波导中心线左右交替等间距(半个波导波长)排布的多个缝隙单元和缝隙上方加载的辐射匹配层与辐射口面层的长腔组成，隔半个波导波长间并且交替排布的方式，可以使得所有缝隙单元的相位叠加，达到同相辐射的目的。然而，在某些应用场景，比如成像雷达系统中，增益与波束宽度之间的矛盾，如果仅仅采用缝隙天线作为辐射单元无法解决。考虑到天线的增益与其辐射口面面积存在正相关关系，因此考虑提高缝隙天线的辐射口面来达到增加天线增益的目的，辐射缝隙上方加载辐射匹配层和辐射口面层，通过适当调节缝隙的位置和辐射匹配层与辐射口面层中空气腔的大小，可以在不影响天线波束宽度的前提下达到提升缝隙天线阵列增益的效果。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线。该阵列天线通过在辐射缝隙上方加载辐射匹配层和辐射口面层，通过适当调节缝隙的位置和辐射匹配层与辐射口面层中空气腔的大小，解决了在固定波束宽度条件下，同时能够提升天线增益的难题，可以应用于缝隙阵列天线领域。
附图说明
图1为本发明基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线线阵三维示意图。
图2为实施例1中基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线线阵侧视示意图。
图3为实施例1中基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线线阵爆炸图示意图。
图4为辐射缝隙层、辐射波导上层、辐射波导下层的放大图。
图5为实施例1中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线面阵示意图。
图6为实施例1中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线线阵和未加载辐射匹配层与辐射口面层的缝隙阵列天线线阵的增益曲线。
图7为实施例1中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线面阵反射系数和增益曲线。
图8为实施例1中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线面阵方位面归一化方向图。
图9为实施例1中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线面阵俯仰面归一化方向图。
图10位实施例2中基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线面阵俯仰面归一化方向图。
1为辐射口面上层，2为辐射口面中层，3为辐射口面下层，4为匹配层上层，5为匹配层中层，6为匹配层下层，7为辐射缝隙层，8为辐射波导上层，9为辐射波导下层，10为垂直过渡层，11为辐射缝隙层中心线,12为辐射缝隙层短路壁，13是支撑条，71为第一缝隙，72为第二缝隙，73为第三缝隙，74为第四缝隙，75为第五缝隙，76为第六缝隙，77为第七缝隙，78为第八缝隙，81为辐射波导上层中心线，91为辐射波导下层中心线，82为辐射波导上层短路壁，92为辐射波导下层短路壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明；为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：
MEMS工艺：主要指MEMS体硅技术，通过对硅片进行选择性刻蚀后金属化结合金金键合，可以得到目的三维立体结构。
波导缝隙天线：通过在波导表面开缝形成的天线，典型的缝隙天线是长条形的，长度约为半个波长。
针对限制天线面积或波束宽度情况下，传统形式的波导缝隙阵列天线增益不足的问题，本发明提出了一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，可在不增益天线占用面积和不改变波束宽度情况下，通过在缝隙上方加载辐射匹配层与辐射口面层，从而达到增加天线增益的效果。
本实施例的技术方案如下：
一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，包括10层硅片，从上到下依次为辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6、辐射缝隙层7、辐射波导上层8、辐射波导下层9、垂直过渡层10；
所述辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6，每一层硅片都设有空气腔并且对其金属化，所述6层硅片的空气腔位置上下对齐；
所述辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3结构相同，每一层硅片中的空气腔都包括四个空气槽，四个空气槽之间通过支撑条13隔开，且每一层中间的两个空气槽大于两端的两个空气槽，所述辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3的支撑条上下对齐；所述匹配层上层4、匹配层中层5和匹配层下层6结构相同，每一层硅片中都包括两个相同的空气槽，两个空气槽之间通过支撑条隔开，所述匹配层上层4、匹配层中层5和匹配层下层6位于中心的支撑条，和辐射口面上层1、辐射口面中层2和辐射口面下层3位于中心的支撑条上下对齐。
所述辐射缝隙层7在硅片上设有8个缝隙并且对其金属化，其中第一缝隙71和第八缝隙78长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第二缝隙72和第七缝隙77长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第三缝隙73和第六缝隙76长度相同且且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同，第四缝隙74和第五缝隙75长度相同且相对辐射缝隙层中心线11偏置距离相同。相邻金属化缝隙的中心之间的距离相同为半个波导波长，第八缝隙78距离辐射缝隙层短路壁12的距离为1/4个波导波长；
辐射波导上层8和辐射波导下层9的硅片中都设有空气腔并且对其金属化；辐射缝隙层中心线11、辐射波导上层中心线81、辐射波导下层中心线91三者左右对齐，辐射缝隙层短路壁12、辐射波导上层短路壁82、辐射波导下层短路壁92三者上下对齐；
所述10层硅片各层之间通过金金键合连接固定，垂直过渡层10的硅片左侧设有一个空气腔并且对其金属化。
下面给出一个W波段的基于MEMS工艺的高增益缝隙阵列天线，阵列规模为8×16，包括天线部分和馈电网络部分，总共包含12层硅片，天线阵列总高度为2.65mm，如图5所示。天线部分采用了10层硅片，线阵之间的壁厚为0.2mm；馈电网络部分采用了2层硅片，主要由一分十六的不等功分网络和输入标准波导口WR10组成，天线通过该一分十六的不等功分馈电网络对天线阵列进行馈电。基于MEMS工艺的W波段高增益缝隙阵列天线线阵和未加载辐射匹配层与辐射口面层的缝隙阵列天线线阵的增益曲线对比如图6所示，结果表明加载辐射匹配层与辐射口面层可以有效提升天线增益约1.5dB左右。该W波段缝隙阵列天线的反射系数和增益曲线如图7所示，在91.6GHz到96.4GHz的范围内天线的反射系数都低于-10dB，其相对阻抗带宽可达到5.1％，在94GHz时候增益约为27.4dBi。该W波段缝隙阵列天线方位面与俯仰面的归一化方向图8和图9所示，其副瓣电平均小于-19dB。
实施例2
本实施例和实施例1的区别在于：所述辐射口面上层1、辐射口面中层2、辐射口面下层3、匹配层上层4、匹配层中层5、匹配层下层6，每一层硅片的空气腔都为一个大小相等的矩形通槽。相对于实施例1中添加支撑条13的情况，每层硅片的空气腔都为一个大小相等的矩形通槽下的天线俯仰面归一化方向图的整体副瓣电平较低，如图10所示，尽管实施例2中矩形通槽设计方法下天线的方向图性能更好，但是由于不能满足加工要求，最终还是通过增加支撑条13增强整体的结构的可靠性，其俯仰面方向图的第一副瓣电平略有上升，尽管整体抬升，但是不会影响天线正常使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，其特征在于：包括10层硅片，从上到下依次为辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）、辐射口面下层（3）、匹配层上层（4）、匹配层中层（5）、匹配层下层（6）、辐射缝隙层（7）、辐射波导上层（8）、辐射波导下层（9）、垂直过渡层（10）；
所述辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）、辐射口面下层（3）、匹配层上层（4）、匹配层中层（5）、匹配层下层（6），每一层硅片都设有空气腔并且对其金属化，每一层硅片的空气腔位置上下对齐；
所述辐射缝隙层（7）在硅片上设有n个缝隙并对其金属化，n为大于等于8的偶数，所述n个缝隙相对于辐射缝隙层中心线（11）左右交替排布，其中，第1个和第n个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同，第2个和第n-1个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同，第3个和第n-2个缝隙长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同……依次类推，相邻缝隙在辐射缝隙层中心线（11）的投影之间的距离相同为半个波导波长，还包括设置于辐射缝隙层（7）的辐射缝隙层短路壁（12），所述第n个缝隙靠近辐射缝隙层短路壁（12）设置，第n个缝隙距离辐射缝隙层短路壁（12）的距离为1/4个波导波长；
辐射波导上层（8）和辐射波导下层（9）的硅片中都设有空气腔并且对其金属化；辐射缝隙层（7）的辐射缝隙层中心线（11）、辐射波导上层（8）的辐射波导上层中心线（81）、辐射波导下层（9）的辐射波导下层中心线（91）三者长度相同上下对齐，还包括设置于辐射波导上层（8）的辐射波导上层短路壁（82）和设置于辐射波导下层（9）的辐射波导下层短路壁（92），辐射缝隙层短路壁（12）、辐射波导上层短路壁（82）、辐射波导下层短路壁（92）三者上下对齐；
所述10层硅片各层之间通过金金键合连接固定，垂直过渡层（10）的硅片左侧设有一个空气腔并且对其金属化；所述辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）、辐射口面下层（3）、匹配层上层（4）、匹配层中层（5）、匹配层下层（6），每一层硅片的空气腔都为一个大小相等的矩形通槽；
所述辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）和辐射口面下层（3）结构相同，每一层硅片中的空气腔都包括四个空气槽，四个空气槽之间通过支撑条（13）隔开，且每一层中间的两个空气槽大于两端的两个空气槽，所述辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）和辐射口面下层（3）的支撑条上下对齐；所述匹配层上层（4）、匹配层中层（5）和匹配层下层（6）结构相同，每一层硅片中都包括两个相同的空气槽，两个空气槽之间通过支撑条隔开，所述匹配层上层（4）、匹配层中层（5）和匹配层下层（6）位于中心的支撑条，和辐射口面上层（1）、辐射口面中层（2）和辐射口面下层（3）位于中心的支撑条上下对齐；
在发射状态下，输入信号从垂直过渡层（10）的空气腔进入，经过辐射波导下层（9）、辐射波导上层（8）的空气腔后进入辐射缝隙层（7），再通过辐射缝隙层（7）的缝隙进行辐射，辐射信号依次进入匹配层下层（6）、匹配层中层（5）、匹配层上层（4）、辐射口面下层（3）、辐射口面中层（2）、辐射口面上层（1）的空气腔。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，其特征在于：辐射波导上层（8）和辐射波导下层（9）结构相同，所述辐射波导上层（8）和辐射波导下层（9）的空气腔为一个矩形通槽。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的毫米波高增益缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐射缝隙层（7）在硅片上设有8个缝隙并且对其金属化，其中第一缝隙（71）和第八缝隙（78）长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同，第二缝隙（72）和第七缝隙（77）长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同，第三缝隙（73）和第六缝隙（76）长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同，第四缝隙（74）和第五缝隙（75）长度相同且相对辐射缝隙层中心线（11）偏置距离相同。
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