無線通訊用硅基微小Spiral天線的設(shè)計(jì)和制作*

郭興龍，黃 靜

(南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通 226019)

無人駕駛飛機(jī)、衛(wèi)星等飛行器的雷達(dá)和通訊系統(tǒng)需要許多天線系統(tǒng)。而且飛行器對(duì)承載物有著嚴(yán)格的重量和尺寸限制。并且隨著微型無人機(jī)、微納衛(wèi)星的出現(xiàn)，機(jī)載或星載電子系統(tǒng)的尺寸越來越小，要求天線尺寸小、重量輕。此外，當(dāng)工作波段進(jìn)入毫米波和亞毫米波以后，天線結(jié)構(gòu)尺寸變得極其細(xì)小，常規(guī)的精密機(jī)械加工技術(shù)已經(jīng)不太適用，為了與微電子技術(shù)相兼容，要求在硅或砷化鎵等半導(dǎo)體基體上制備天線。這不僅有利于與系統(tǒng)集成，這些基體也具有良好的機(jī)械特性的基材［1］，并且移動(dòng)通訊中無線收發(fā)芯片尺寸的縮小也迫切需要新型微型天線，例如，Ericsson(愛立信)公司的單芯片藍(lán)牙組件［2］，其尺寸僅為9 mm×9 mm。以往以 PCB作為天線基底材料大大限制了頻帶寬度。Hwang等在GaAs襯底上制備獲得了容易集成的微小狹縫天線［3］，獲得了寬頻帶。X.L.Guo，Lee，Byunqje 等利用高阻抗介質(zhì)基底獲得了小的天線尺寸［4-5］。

Spiral天線的幾何結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了數(shù)年［6-8］。其主要特點(diǎn)是螺旋天線具有較好的寬帶，較好的半功率波束寬度(HPBW)和圓極化輻射場(chǎng)(CP)［9］。這些特征對(duì)于像無線局域網(wǎng)的GSM，CDMA等無線系統(tǒng)具有吸引力。使用以半導(dǎo)體作為基底共面波導(dǎo)天線為微波器件提供了寬波段、體積小、重量輕、易與載體共形，并且具有良好的阻抗匹配低輻射損耗和易于與MMICs(Microwave Monolithic Integrated Circuits)集成等明顯優(yōu)勢(shì)［10-12］。鑒于此，本文以高阻硅片為襯底，借助于微電子工藝技術(shù)，運(yùn)用微帶輻射機(jī)理完成了硅基微尺度Spiral天線設(shè)計(jì)和制造，為天線的系統(tǒng)集成具有一定的參考價(jià)值。

1 天線的設(shè)計(jì)和制備工藝

1.1 天線設(shè)計(jì)

天線經(jīng)過仿真、設(shè)計(jì)得到其尺寸如圖1，將直線S1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)90°仿射，然后把線連接起來形成一個(gè)形狀相同的大的外圈單元形狀和小的內(nèi)圈單元，這兩個(gè)大小單元具有自相似性。這種天線比單純的螺旋天線能增加天線阻抗［13］，能夠降低諧振頻率。產(chǎn)生位移電流激勵(lì)場(chǎng)，并且能夠改變天線的阻抗和分布電流，從而引起天線諧振頻率的改變。

圖1 天線結(jié)構(gòu)及其尺寸示意圖

1.2 天線的制備工藝過程

制備微型天線的基片采用厚525 μm、硅片的介電常數(shù) εr=11.9，高電阻率(ρ＞1 000 Ω·cm)的本征＜111＞拋光硅片及新型材料-多孔硅，基于微電子加工平臺(tái)兼有加工精度高和IC集成的優(yōu)勢(shì)。工藝步驟如下:首先檢查表面質(zhì)量(表面應(yīng)平整、光亮、無機(jī)械損傷)，然后用一號(hào)液(27%NH4OH∶30%H2O2∶去離子水 =1 ∶2 ∶5)、二號(hào)液(37%HCl∶30%H2O2∶去離子水=1∶2∶8)清洗硅片;然后在氧化溫度1 100℃，氧氣流量500 mL/min，先干氧氧化10 min，又進(jìn)行濕氧氧化45 min，最后干氧氧化10 min。得到氧化層的厚度為1.1 μm;為了形成天線的金屬貼片，采用真空蒸發(fā)淀積鉻金膜，鉻的厚度為500 ?，金的厚度為1 500 ?。繼續(xù)進(jìn)行正膠光刻掩模板，前烘80 ℃、15 min，曝光時(shí)間 26 s，NaOH 顯影45 s，堅(jiān)膜110℃、30 min。光刻完打底膜，再用等離子的方法去掉仍可能存在的薄層膠(氧氣流量30 mL/min，電壓900 V，時(shí)間30 s)，使后道工序選擇性電鍍金的粘附性更好;為了保證電路的損耗盡可能小，減少趨膚深度，至少應(yīng)使膜厚為金屬材料趨膚深度的3～5倍，因?yàn)檎婵照舭l(fā)膜的厚度很薄，故采用電鍍的方法加金厚至2.5 μm，電鍍完后，用丙酮?jiǎng)冸x正膠;最后采用負(fù)膠再次光刻掩模板。先采用Au腐蝕液(KI∶I2∶H2O=20g ∶6g∶100 mL)腐蝕金，時(shí)間30 s～45 s。再用鉻腐蝕(K2［Fe(CN6)］∶KOH ∶H2O=30 g∶5 g∶100 g)腐蝕鉻，時(shí)間 30 s～60 s。腐蝕好鉻金后去膠，得到硅基天線。該天線采用SMA連接頭饋電，結(jié)構(gòu)參數(shù)由Ansoft公司的多層平面電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 9.2進(jìn)行模擬優(yōu)化。制備所得硅基天線實(shí)物如圖2，然后用SMA接頭與硅基共面波導(dǎo)的進(jìn)行焊接，背面采用銅接地饋線。

圖2 天線實(shí)物圖

2 天線的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

天線S11如圖3所示，測(cè)試在杭州電子科技大學(xué)進(jìn)行，采用HP公司的Agilent PNAE8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(頻率可從50 MHz～50 GHz)測(cè)量了天線的S11參數(shù)為7.6 GHz和20.2 GHz，反射系數(shù)分別為25 dB和23 dB，非常接近模擬的結(jié)果，天線在這兩個(gè)諧振點(diǎn)都達(dá)到了良好的匹配。測(cè)試得到的反射系數(shù)和模擬的非常吻合，這對(duì)于天線模型的建立是非常重要的。由于空氣的相對(duì)介電常數(shù)只有1，測(cè)試和模擬結(jié)果不太吻合可能是天線本身的反射及其測(cè)試設(shè)備的干擾。而在S11幅值方面的差異主要有以下兩個(gè)原因:由于工藝加工條件限制金屬層厚度不夠，未完全滿足膜厚趨膚深度的要求，其次由于SMA接頭與硅基共面波導(dǎo)的連接實(shí)現(xiàn)比較困難，焊接接頭存在也會(huì)造成附加的阻抗失配和接觸損耗。測(cè)試得到的多諧振頻點(diǎn)是由分形天線的本身性質(zhì)決定的。

圖3 測(cè)試得天線反射系數(shù)

天線的輻射特性在東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波暗室進(jìn)行測(cè)量，圖4給出了以高阻硅為基底材料的天線的E，H面輻射方向圖。從圖中可以看出，天線為全向輻射，天線的增益約為2.8 dB，實(shí)測(cè)的天線方向圖和仿真的有所差別，這是由于周圍物體的反射、阻抗失配也在一定程度上影響了天線效率的測(cè)試值。由于被測(cè)天線尺寸遠(yuǎn)小于連接的儀器的大小，兩者之間產(chǎn)生電磁耦合也對(duì)天線的輻射特性產(chǎn)生影響，并且天線加工時(shí)引起其本身結(jié)構(gòu)的少許不對(duì)稱性導(dǎo)致電流傳播分布不均勻性也會(huì)引起天線輻射方向圖變化。

圖4 測(cè)試得到天線輻射方向圖

3 結(jié)論

本文采用微電子加工工藝在高電阻率硅片上設(shè)計(jì)和制備了微小雙波段分形天線，對(duì)天線模擬和測(cè)試結(jié)果比較吻合;測(cè)試得到天線為全方向輻射，增益約為2.8 dB，天線的S11為7.6 GHz和20.2 GHz，反射系數(shù)分別為25 dB和23 dB，此天線的設(shè)計(jì)制造有利于天線的集成和與CMOS工藝等的兼容，并且兼有加工精度高和系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì)。文章還重點(diǎn)對(duì)天線的制作工藝進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，對(duì)于以后此類研究具有一定的參考價(jià)值。

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