Ka頻段硅基陣列天線設(shè)計(jì)

賈世旺

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

Ka頻段硅基陣列天線設(shè)計(jì)

賈世旺

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

微帶陣列天線是實(shí)現(xiàn)通信、測(cè)控等系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵設(shè)備之一。為了進(jìn)一步降低天線高度，對(duì)應(yīng)用深腔刻蝕、硅通孔等微電子機(jī)械微納加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Ka頻段硅基陣列天線的方案進(jìn)行了分析研究。對(duì)常用的各種微波基板材料特性進(jìn)行分析，結(jié)合3D封裝集成需求，最終采用背面開(kāi)腔的高阻硅材料，設(shè)計(jì)了同軸背饋硅基線極化4×4陣列天線。對(duì)天線陣元、饋線等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析計(jì)算，并通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明指標(biāo)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。同時(shí)也對(duì)陣列天線在制造過(guò)程中的關(guān)鍵工藝問(wèn)題進(jìn)行了分析，研究了在硅基材料上實(shí)現(xiàn)微帶陣列天線制造可行性，為今后相控陣中天線與微波有源電路3D系統(tǒng)級(jí)封裝集成進(jìn)行了有益探索。

Ka頻段；高阻硅；陣列天線；硅通孔；系統(tǒng)級(jí)封裝

0 引言

微帶陣列天線與常見(jiàn)的拋物面天線相比具有低輪廓(平面結(jié)構(gòu))、體積小、重量輕、可共形、易與有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。特別是在毫米波頻段，因頻率波長(zhǎng)較短，天線尺寸與收發(fā)微波有源電路尺寸相當(dāng)，可利用3D封裝技術(shù)將天線陣元與有源電路進(jìn)行一體化系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package，SIP)集成，因此微帶陣列天線在毫米波頻段衛(wèi)星通信、航天測(cè)控等系統(tǒng)中得到廣泛研究和應(yīng)用[3]。衛(wèi)星通信低輪廓天線通常采用一維有源體制磚塊式結(jié)構(gòu)方案[4]，天線一般采用傳統(tǒng)PCB工藝制造，通過(guò)接插件與有源電路模塊相連，陣列天線整體高度較高，往往成為機(jī)載、彈載等平臺(tái)應(yīng)用的瓶頸。

為了進(jìn)一步降低天線高度,本文對(duì)在高阻硅襯底上，應(yīng)用深腔刻蝕、硅通孔(Through Silicon Via,TSV)等微電子機(jī)械(Microelectro mechanical Systems,MEMS)微納加工技術(shù)，結(jié)合SIP封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同軸背饋式Ka頻段硅基陣列天線的方案進(jìn)行討論。

1 陣列天線單陣元設(shè)計(jì)

陣元是組成陣列天線的基礎(chǔ)，單陣元性能直接影響到天線陣列的性能。

1.1 陣元基板材料選擇

基板決定著天線陣元的性能，一般選擇基板時(shí)需著重考慮材料的相對(duì)介電常數(shù)εr、損耗角正切tanδ、厚度、加工難度等以及與其他功能部件集成難易程度等要求。

基板材料特性與天線性能存在以下關(guān)系，在選擇基板時(shí)需結(jié)合以下幾點(diǎn)綜合考慮：

① 基板材料相對(duì)介電常數(shù)變大，工作頻率波長(zhǎng)變短，從而陣元尺寸減小，有利于實(shí)現(xiàn)小型化。

② 材料相對(duì)介電常數(shù)表征了電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)能量的約束能力。相對(duì)介電常數(shù)越高，約束能力越強(qiáng)，陣元輻射效率越低。

③ 損耗角正切表征了材料在施加電場(chǎng)后介質(zhì)損耗的大小，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用低介電損耗角正切的材料。

④ 增加材料厚度可以提高陣元工作帶寬和輻射效率[5-6]，但也會(huì)增加介質(zhì)損耗、表面波損耗和微帶線的輻射，降低天線的品質(zhì)因數(shù)。保證陣元金屬層厚度及減小金屬層表面粗糙度可減小導(dǎo)體損耗。

目前，可用于毫米波頻段基板的典型材料特點(diǎn)如表1所示。

表1 可用于毫米波頻段基板典型材料特點(diǎn)

材料名稱(chēng)相對(duì)介電常數(shù)損耗角正切加工復(fù)雜度再集成難度GaAs12.90.001復(fù)雜中等RT/duroid58802.200.001容易較難石英3.80.0002復(fù)雜較難Al2O3(99.6%)9.90.0005中等中等FerroA6M5.900.002中等容易高阻硅11.90.001中等中等

GaAs材料是現(xiàn)階段生產(chǎn)微波射頻器件的主要材料，但因其材料缺陷，集成規(guī)模受限，且成本較高、加工制造工藝復(fù)雜，主要用于高頻的半導(dǎo)體芯片制造。

RT/duroid 5880是在微波頻段常用的低損耗介質(zhì)基板，廣泛應(yīng)用在各種微波射頻設(shè)備中，采用普通印制板工藝即可加工，但實(shí)現(xiàn)多層加工成本較高。

石英和Al2O3均是薄膜電路中常采用的襯底，電路性能良好。石英基板材質(zhì)較脆，在材料上制作大量孔時(shí)，成品率較低，加工難度稍大。

Ferro A6M是目前LTCC工藝線上常用的高頻微波介質(zhì)材料，加工容易且易與有源電路集成。

硅是制造MEMS器件常采用的材料，采用常規(guī)薄膜工藝即可實(shí)現(xiàn)，且硅基上制作的圖形表面狀態(tài)良好，粗糙度小于0.002 μm。

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路，需要實(shí)現(xiàn)天線陣列、MEMS器件(射頻開(kāi)關(guān))、有源電路芯片(發(fā)射、接收)等單元的綜合集成，以及綜合考慮各種材料所采用工藝技術(shù)加工精度等，最終天線陣列材料選用與MEMS器件相同高阻硅。大部分電路單元之間的互聯(lián)互通可利用半導(dǎo)體工藝制造完成，減少了后期二次封裝工作量。

若硅基材料應(yīng)用在天線系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首選高電阻率的硅，即高阻硅[5]，文獻(xiàn)[2]中給出了不同電阻率的硅基材料的電阻率對(duì)單片微帶天線性能的影響，如表2所示。

表2 電阻率對(duì)單片微帶天線性能的影響

硅的電阻率/(Ω·cm)增益/dB輻射效率/%50-204500-1014100035620004.16330005.773.540006.081.3

主要是由于低電阻率的硅基材料電阻性損耗較大，消耗了大部分能量，從而造成了低增益、低效率。

1.2 單陣元設(shè)計(jì)

天線陣元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中W為陣元寬度大小、L為陣元長(zhǎng)度尺寸、L1為陣元饋線位置偏差大小、εr為基板介電常數(shù)、h為基板厚度等、R為饋線導(dǎo)體直徑。

圖1 陣元結(jié)構(gòu)示意圖

因高阻硅材料介電常數(shù)較高，工作時(shí)陣元易激勵(lì)出表面波，增加天線損耗，所以要采取措施適當(dāng)降低材料的介電常數(shù)。

降低高阻硅介電常數(shù)的常規(guī)方法是通過(guò)增加空氣介質(zhì)腔或材料摻雜等方式，增加空氣介質(zhì)的方式較容易實(shí)現(xiàn)。在硅天線陣元背面腐蝕一定深度腔，形成高阻硅+空氣的雙介質(zhì)襯底。通過(guò)空氣腔高度調(diào)整等效介電常數(shù)的大小，隨著腔體高度增加，介電常數(shù)逐漸降低。在決定腔體高度時(shí)，應(yīng)考慮工藝制造的難度。

雙介質(zhì)襯底的介電常數(shù)的計(jì)算公式為[6]：

(1)

式中，εr、h分別為增加空腔后等效介電常數(shù)和總厚度；ε1、h1分別為空氣腔介電常數(shù)和腔體深度；ε2、h2分別為高阻硅介電常數(shù)和材料厚度(不含空氣腔)；高阻硅、空氣的介電常數(shù)分別為11.9、1.0。

BW=5.04f2h，

(2)

式中，BW為頻帶帶寬(單位：MHz)，f為工作頻率(單位：GHz)，h為基板厚度(單位：mm)。當(dāng)工作頻率為29～31 GHz時(shí)，推算材料厚度h至少為0.441 mm。

根據(jù)可選材料厚度及現(xiàn)有工藝加工能力，最終確定選用電阻率為4 000 Ω·cm、厚0.5 mm的高阻硅材料，空氣腔深度為0.25 mm。

由式(1)計(jì)算可知，高阻硅+空氣襯底的等效介電常數(shù)為：

εr=1.85 。

(3)

陣元采用常用的矩形微帶貼片形式。

在確定襯底材料、厚度等參數(shù)后，即可由式(4)和式(5)分別計(jì)算得出陣元寬度W及陣元長(zhǎng)度L具體數(shù)值。

(4)

式中，c為自由空間光速(3×108m/s)，εr為襯底相對(duì)介電常數(shù)(1.85)，f0為陣元輻射中心頻率(30.0 GHz)，經(jīng)計(jì)算W值為4.19 mm。

(5)

其中：

(6)

(7)

式中，εr為襯底相對(duì)介電常數(shù)(1.85)，εe為有效的介電常數(shù)(1.71)，h為襯底厚度(0.5 mm)，W為陣元寬度(4.19 mm)，經(jīng)計(jì)算L值為3.14 mm。

1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)

微帶陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)有多種形式[8]，從實(shí)用化方面考慮，同軸線背饋是最為常采用的方式之一。文獻(xiàn)[9-15]中對(duì)不同頻段、不同形式的陣列天線進(jìn)行了研究，但均采用微帶線側(cè)饋方案。

因?yàn)樵谛l(wèi)星通信、航天測(cè)控等系統(tǒng)中天線要對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星或航天器，微帶線側(cè)饋天線不太適合，考慮到與有源電路的集成要求，同軸線背饋方式是最優(yōu)的選擇。高阻硅背面有空腔結(jié)構(gòu)，同軸線背饋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硅基同軸線背饋天線陣元示意圖

同軸線饋電方式其外導(dǎo)體與接地板相連，內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)接地板上的通孔及介質(zhì)，連接在微帶貼片上。優(yōu)點(diǎn)是饋電點(diǎn)可選在貼片內(nèi)任意所需位置，便于匹配；饋電網(wǎng)絡(luò)位于接地板下方，不會(huì)干擾天線面的輻射。缺點(diǎn)是空氣腔、通孔結(jié)構(gòu)制作較復(fù)雜，特別是硅上通孔的深寬比較大，工藝實(shí)現(xiàn)有一定的困難。

在使用同軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)背饋時(shí)，主模TM10模式下，饋電點(diǎn)在陣元長(zhǎng)度L方向邊緣處輸入阻抗最高，約為100～400 Ω。饋電點(diǎn)在陣元W方向的位移對(duì)輸入阻抗影響較小，但在偏離中心位置時(shí)，易激發(fā)TM1n模式。因此在寬度方向上饋電點(diǎn)位置一般選取在中心點(diǎn)；在陣元的幾何中心點(diǎn)處輸入阻抗為0，長(zhǎng)度方向饋電點(diǎn)位置可由式(8)計(jì)算得出。

(8)

式中，

(9)

經(jīng)計(jì)算L1值為0.60 mm。

2 陣元仿真及分析

2.1 單陣元

利用HFSS三維仿真軟件對(duì)陣元微帶貼片的尺寸、饋線結(jié)構(gòu)及饋電位置進(jìn)行建模、優(yōu)化，使得在一定工作帶寬內(nèi)駐波、增益滿(mǎn)足使用要求。帶腔與無(wú)腔2種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖3所示。

據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，天線端口回波一般要求<-10 dB。從圖中可以看出，若高阻硅不開(kāi)空氣腔(無(wú)腔結(jié)構(gòu))小于-10 dB的帶寬僅有1.2 GHz；采用帶腔結(jié)構(gòu)后小于-10 dB的帶寬已經(jīng)達(dá)到了2.3 GHz。同時(shí)，2種結(jié)構(gòu)的天線陣元增益也有較大差異，開(kāi)腔結(jié)構(gòu)的最高增益達(dá)到了6.36 dB，而未開(kāi)腔的陣元增益僅有5.21 dB。

采用高阻硅帶腔的結(jié)構(gòu)形式提高了天線陣元的性能，仿真結(jié)果滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

圖3 陣元饋線端口回波損耗

2.2 陣列天線

陣列天線的性能不是簡(jiǎn)單的陣元性能的累加，在設(shè)計(jì)中需要解決2個(gè)問(wèn)題：

① 陣元間的互耦問(wèn)題?；ヱ钅軌蛞鹛炀€陣元性能的變化。陣元間距較大時(shí)，互耦作用較小，影響可忽略；相反當(dāng)間距較小時(shí)，就不能忽略互耦的影響。通常選取陣元間距為0.6～0.8個(gè)工作波長(zhǎng)最為合適。在仿真中，通過(guò)設(shè)置周期性邊界條件(主從邊界)和周期性激勵(lì)方式，來(lái)仿真計(jì)算陣列天線的方向圖、增益等性能。

② 陣列天線與有源芯片集成后自激問(wèn)題。Ka頻段陣列天線具有體積小、高增益的特點(diǎn)。在有限的面積內(nèi)集成了數(shù)十片有源電路，極易造成電路的自激，從而影響電路性能，甚至電路不能正常工作。將有源分腔、采用帶狀線傳輸及增加金屬屏蔽結(jié)構(gòu)等措施是有效的解決辦法。

考慮天線與有源電路一體化封裝的要求，設(shè)計(jì)中采用陣元間距設(shè)置為0.7個(gè)自由空間工作波長(zhǎng)，即7.0 mm(30.0 GHz)。經(jīng)計(jì)算，4×4陣列天線最高增益為18.2 dB，駐波變化不大，滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

根據(jù)現(xiàn)有方案，陣列天線(含有源電路部分)的外形尺寸可以控制在30 mm×30 mm×20 mm以?xún)?nèi)，與常規(guī)Ka頻段磚塊式陣列天線相比高度降低2倍以上。

3 工藝制造

TSV是在硅片上開(kāi)出通孔，孔內(nèi)填充導(dǎo)體材料，形成垂直電互連結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是可以明顯降低系統(tǒng)尺寸，能夠?yàn)樾盘?hào)提供最短的傳輸路徑，降低傳輸損耗。

TSV制作一般包括通孔制作、絕緣層/阻擋層/種子層沉積、通孔填充、減薄等重要工藝過(guò)程。從傳輸性能、導(dǎo)熱、批量生產(chǎn)及可靠性等方面要求來(lái)說(shuō)，要求孔壁與基板材料結(jié)合度高、孔內(nèi)填充完整無(wú)空洞或縫隙、填孔效率高[16]。

硅基天線陣列的制造難度在于高深寬比的硅通孔制作。根據(jù)陣元仿真結(jié)果，作為饋線使用的硅通孔直徑小于18 μm，深度500 μm，深寬比>27，工藝實(shí)現(xiàn)難度非常大。需要對(duì)大深寬比的通孔制備、絕緣層生長(zhǎng)、通孔填充等關(guān)鍵工藝問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)題研究。

目前，通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化、調(diào)整工藝路線等措施，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高深寬比12，孔徑30 μm的硅通孔制作，且成品率較高。

根據(jù)專(zhuān)題試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，后續(xù)可以通過(guò)以下措施，進(jìn)一步提高硅通孔制作能力：

① 通過(guò)ICP干法刻蝕與濕法刻蝕結(jié)合的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)TSV通孔的制作，既可保證通孔尺寸精度，又使得孔壁光滑均勻、垂直度高；

② 優(yōu)化硅通孔刻蝕后清洗技術(shù)，選擇合適的材料體系避免絕緣層材料與硅片、導(dǎo)體間擴(kuò)散，以滿(mǎn)足TSV通孔絕緣層的性能要求；

③ 調(diào)整鍍液添加劑、選擇合理電流密度等手段保證通孔填充質(zhì)量。

陣列天線硅基天線陣元與有源電路的集成也是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，特別是層間互聯(lián)互通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用三維電磁仿真軟件，在29～31 GHz Ka頻段內(nèi)對(duì)4×4硅基線極化陣列天線進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了通過(guò)增加空氣腔降低等效介電常數(shù)提高陣列天線性能的思路。通過(guò)采用同軸背饋式饋電網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)天線陣元與有源芯片的系統(tǒng)級(jí)多層封裝互聯(lián)，使得陣列天線更加適合于通信、測(cè)控等系統(tǒng)應(yīng)用。

在工作頻段內(nèi)，回波損耗<-10 dB，天線增益>18 dB，表明該天線具有良好的工作特性。

通過(guò)對(duì)硅基天線的設(shè)計(jì)，探討了在毫米波頻段應(yīng)用硅基材料實(shí)現(xiàn)天線陣列集成的可能性。

[1] 鮑爾 I J，布哈蒂亞 P.微帶天線[M].梁聯(lián)倬，寇延耀，譯.北京：電子工業(yè)出版社,1984.

[2] 梅立榮,張乃柏，馬延爽.一種C波段寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].無(wú)線電通信技術(shù),2014，40(4)：64-66.

[3] 王彩華,陳曉光.一種改進(jìn)的寬帶微帶天線設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程，2011，41(11):43-45.

[4] 韓國(guó)棟，杜彪，陳如山.衛(wèi)星移動(dòng)通信相控陣天線的研究現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(4):1-6.

[5] Duan Z S,Qu S B.Wide Bandwidth and Broad Beamwidth Microstrip Patch Antenna[J].Electronics Letters,2009,45(5):249-251.

[6] Chang L,Liao C,Chen L L.Design of a Printed Compact Antenna with Enhanced Impedance Bandwidth[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(1):86-89.

[7] 楊芳.高阻硅基底陣列式微帶天線中的傳輸特性研究[D].成都：電子科技大學(xué),2011.

[8] 潘武，鐘先信，巫正中.微機(jī)械微帶貼片天線研究[J].光學(xué)精密工程,2001，9(3):247-251.

[9] 張鈞，劉克誠(chéng)，張賢鐸，等.微帶天線理論與工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1988.

[10] 陳偉強(qiáng).毫米波MEMS天線研究[D].上海：上海交通大學(xué),2008.

[11] 姚科明.基于MEMS C波段全向波束賦形天線研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[12] 趙明銳.基于 MEMS 硅基底 L波段微帶天線的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[13] 楊柳風(fēng).雙層硅基 MEMS 微帶天線陣列研究[D].北京：北京理工大學(xué),2015.

[14] Cheng H R,Chen X Q.Design of a Fractal Dual-polarized Aperture Coupled Microstrip Antenna[J].Progress In Electromagnetics Research Letters,2009,9:175-181

[15] Zhao F,Xiao K,Feng W J.Design and Manufacture of the Wide-band Aperture-coupled Stacked Microstrip Antenna[J].Progress in electromagnetic Research,2009,7:37-50.

[16] 余成昇,許高斌,陳興,等.高深寬比的TSV制作與填充技術(shù)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2016,36(1):93-97.

DesignsofaKa-bandArrayAntennaBasedonSiSubstrate

JIA Shi-wang

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Microstrip array antenna is one of the key equipment in communication,measurement and control systems to realize miniaturization.According to the project requirement,a Ka-band silicon based antenna array utilizing deep cavity etching,through-silicon-via (TSV) and MEMS/NEMS fabrication technology is studied.By using a high resistance silicon substrate with back-side cavity structure,a rear feeding silicon based linear polarization array antenna is designed.In order to meet the system expectation,the antenna array and feeding structure are investigated and optimized using electromagnetic EDA software.In addition,research on the key fabrication process to implement the silicon based antenna array is conducted.The study is of great significance to future 3D system-in-package (SIP) phase array antennas and microwave circuits and systems.

Ka-band;high resistance silicon;array antenna;TSV;SIP

TN821.8

A

1003-3114(2017)06-52-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.13

賈世旺.Ka頻段硅基陣列天線設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6): 52-55,80.

[JIA Shiwang.Designs of a Ka-band Array Antenna Based on Si Substrate[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):52-55,80.]

2017-07-20

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

賈世旺(1977―)， 男，高級(jí)工程師,主要研究方向：微波射頻微系統(tǒng)。