基于晶圓級(jí)封裝的W波段微同軸天線小型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉博源，江 云，黃昭宇，陳嘉貝，葉 源，季鵬飛，許慶華，吳微微，黃敬健，袁乃昌

（1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院CEMEE國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410073；2.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司,湖北孝感 432000）

1 引言

裝備的信息化水平直接決定了戰(zhàn)爭(zhēng)各方的力量對(duì)比，因此，得益于高分辨、強(qiáng)定向、大寬帶等特性，毫米波高端/太赫茲電子系統(tǒng)在大容量通信、高性能雷達(dá)、高精度制導(dǎo)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景［1］.目前基于傳統(tǒng)的平面混合電路或基于機(jī)械加工波導(dǎo)的集成技術(shù)，在體積、集成度、損耗等多方面具有的缺陷難以克服，嚴(yán)重制約了高性能毫米波高端/太赫茲裝備的發(fā)展.

微同軸由懸空的中心導(dǎo)體和將其包圍的接地外導(dǎo)體組成［2］，屬于RF MEMS（Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System）范疇.它具有超大帶寬、超低損耗等高頻電路關(guān)鍵特性，大幅提升了毫米波/太赫茲電路性能和系統(tǒng)集成能力，并且其傳遞電磁波的模式是TEM（Transverse Electromagnetic Wave）波，具有零截止頻率，因而較于同軸線結(jié)構(gòu)，微同軸可以實(shí)現(xiàn)無(wú)色散［3，4］.

隨著研究深入，將3D（3-Dimension）微同軸結(jié)構(gòu)由傳輸線向毫米波天線單元方向設(shè)計(jì)，可以在繼續(xù)發(fā)揮體積小的優(yōu)勢(shì)下，通過(guò)集成幅相多功能芯片、功放芯片等器件，實(shí)現(xiàn)高密度有源相控陣天線.如果系統(tǒng)中大部分無(wú)源器件和天線都采用微同軸工藝集成，就可以構(gòu)建低成本的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)天線［5］、共形天線陣列、多波段相控陣天線、輕型相控陣?yán)走_(dá)等，同時(shí)具備微型化、可重構(gòu)、輕量化等特點(diǎn).

微同軸相對(duì)于其他微波毫米波傳輸結(jié)構(gòu)具有體積小的顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也為實(shí)際加工制備帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)［6］.當(dāng)今射頻芯片的普及和廣泛應(yīng)用，也為生成微同軸結(jié)構(gòu)指明了一條全新的道路.晶圓級(jí)封裝過(guò)程是指在半導(dǎo)體的晶體材料如Si和GaAs的圓片上，采用一系列精細(xì)工藝，在垂直方向逐層或漸變式生成具有特定功能的器件或者電路，再經(jīng)過(guò)切割工藝，將每一個(gè)生成的器件或者電路組成部分從圓片上分離并實(shí)際應(yīng)用［7］.因?yàn)榫A級(jí)封裝可以保證所需的器件或者電路在每一批次都可以達(dá)到很好的一致性，這樣對(duì)于W 波段在體積方面求小求輕，性能方面求可靠免調(diào)試的要求上是至關(guān)重要的［8，9］.采用微細(xì)加工技術(shù)逐層累加的加工方法使得晶圓級(jí)微同軸的生成技術(shù)可以滿足高效、穩(wěn)定、可批產(chǎn)的關(guān)鍵需求.

銅基空氣微同軸作為新興的信號(hào)傳輸和系統(tǒng)集成技術(shù)，表現(xiàn)出高頻低損耗、高功率、高密度等優(yōu)異能力，在太赫茲頻段應(yīng)用中顯示出廣闊前景，因此，非常適合毫米波高端/太赫茲器件和系統(tǒng)集成應(yīng)用［10］.本文實(shí)際設(shè)計(jì)并加工了空氣微同軸天線和微同軸陣列天線，基于3D 空氣微同軸結(jié)構(gòu)的微系統(tǒng)制備工藝，可在W 頻段實(shí)現(xiàn)超小型化的電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).與傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比較，產(chǎn)品體積可縮減至1/100 以內(nèi)，滿足未來(lái)射頻微波系統(tǒng)的更高需求，同時(shí)具備半導(dǎo)體工藝可批產(chǎn)特性，在系統(tǒng)級(jí)電路集成、相控陣?yán)走_(dá)、太赫茲功率合成、高性能T/R微系統(tǒng)、相控陣天線、太赫茲收發(fā)微系統(tǒng)、5G 收發(fā)鏈路等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.因其高可靠、高集成特性，在彈載、星際通信、空間探測(cè)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重大作用［11］.

2 W波段空氣微同軸天線的設(shè)計(jì)

多層微帶天線在0～40 GHz可以實(shí)現(xiàn)寬帶、寬波束等多種高性能指標(biāo)，但在毫米波高端/太赫茲頻段，介質(zhì)損耗嚴(yán)重降低了多層微帶天線的輻射效率，微帶天線往往在性能上難以滿足需求［12］.利用微同軸加工工藝制作以空氣為介質(zhì)的多層平面天線，可以克服介質(zhì)微帶天線的上述多種弊端.微同軸結(jié)構(gòu)分層加工的特點(diǎn)，可以滿足進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)以空氣為主要介質(zhì)的多層天線的條件.空氣介質(zhì)所具備的低介電常數(shù)、低損耗的特點(diǎn)，非常有利于實(shí)現(xiàn)天線寬波束寬度、高輻射效率等特性［13］.這也為微同軸天線的加工制作提供了理論支持，指引了優(yōu)化性能設(shè)計(jì)加工的目標(biāo).

2.1 微同軸天線的參數(shù)指標(biāo)

考慮所設(shè)計(jì)的微同軸天線單元及陣列天線的重點(diǎn)性能，設(shè)置的參數(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 微同軸天線參數(shù)指標(biāo)列表

2.2 微同軸天線單元的設(shè)計(jì)

本文涉及的天線為空氣填充銅基微同軸天線.因?yàn)楣ぷ黝l率位于W波段，器件的相對(duì)帶寬較小，工作波長(zhǎng)很短，因此，在客觀上縮減了器件和系統(tǒng)的體積及重量，在一定程度上縮短了傳輸路徑長(zhǎng)度.同時(shí)，電磁波傳輸受傳輸結(jié)構(gòu)的物理尺寸限制也會(huì)減弱.空氣微同軸的銅殼經(jīng)過(guò)周期性開(kāi)窗后，可以在晶圓級(jí)加工過(guò)程中更加方便地去除光刻膠，降低了殘留的光刻膠對(duì)毫米波傳輸特性的負(fù)面影響.空氣填充微同軸傳輸線除了稀疏介質(zhì)帶對(duì)銅芯起到支撐作用外，是沒(méi)有其他介質(zhì)存在的，因此，最大限度降低了襯底損耗對(duì)傳輸性能的影響，使得微同軸天線下方的介質(zhì)厚度可以等效為無(wú)窮大，介電常數(shù)無(wú)限趨近于1，由此，可以進(jìn)一步減小其傳輸損耗.如圖1所示，該圖顯示了微同軸銅殼和銅芯的空間位置關(guān)系，毫米波可以在此結(jié)構(gòu)上超低損耗地傳輸，并且端口具有很好的反射系數(shù)，這對(duì)于微同軸天線優(yōu)良的饋電性能和高集成度是極其重要的.

圖1 空氣填充微同軸傳輸線仿真模型及橫截面尺寸

微同軸傳輸結(jié)構(gòu)主要由銅和填充在其中的空氣組成，因此容性的損耗被最小化，導(dǎo)體和介質(zhì)損耗極低.基于上述傳輸結(jié)構(gòu)，微同軸天線可以很好地與系統(tǒng)進(jìn)行集成.為了實(shí)現(xiàn)寬帶特性，天線增益會(huì)被削弱，這兩者之間是相互矛盾的關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮.為了實(shí)現(xiàn)在中心頻率94 GHz，帶寬8 GHz的范圍內(nèi)的毫米波寬帶天線單元匹配和輻射性能，考慮到天線設(shè)計(jì)中理想導(dǎo)體背板加載提高的增益不宜過(guò)高的情況，最終確定了天線的輻射面與背板之間的距離為中心頻點(diǎn)波長(zhǎng)的四分之一，這樣可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻的入射波和反射波在波峰處形成疊加.

式（1）中的hsub為輻射面和背板之間的間距.當(dāng)頻率增高，天線和背板導(dǎo)體間距為半波長(zhǎng)時(shí)，正向輻射的電磁波恰好和經(jīng)過(guò)背板導(dǎo)體反射后的電磁波發(fā)生干涉疊加的現(xiàn)象，雖然此時(shí)兩者幅度近似，然而相位差相差π/2，使得入射波和反射波相互抵消，表現(xiàn)在天線方向圖時(shí)，會(huì)在該處出現(xiàn)一個(gè)傳輸零點(diǎn)，也就是帶寬的頻率上限.從等效電路的角度看，在添加背板對(duì)電磁波進(jìn)行反射時(shí)，天線端口的等效電抗為jXH（XH為高頻端等效電抗）.當(dāng)hsub達(dá)到λ/2時(shí)，輸入端口電抗值為零，電路可以看作短路，對(duì)應(yīng)點(diǎn)即駐波為無(wú)窮大值的諧振點(diǎn).因此，抑制這種短路效應(yīng)，提高天線的工作帶寬，實(shí)現(xiàn)等效阻抗的匹配，對(duì)于毫米波天線的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要.通過(guò)對(duì)天線通帶性能和增益等指標(biāo)參數(shù)的綜合分析，在CST仿真軟件中設(shè)計(jì)出了一款空氣填充微同軸天線單元，如圖2、圖3所示.

圖2 空氣填充微同軸天線單元仿真模型及透視圖

圖3 天線單元模型各向視圖

空氣微同軸天線單元仿真優(yōu)化后對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示.

表2 空氣填充微同軸天線的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm）

通過(guò)將微同軸天線的饋電端口相對(duì)于水平微同軸傳輸路徑調(diào)整到沿z軸的輻射方向，信號(hào)經(jīng)過(guò)一段由突出的銅芯構(gòu)成的阻抗變換過(guò)渡結(jié)構(gòu)后，傳輸至輻射面上進(jìn)行輻射.輻射面利用兩個(gè)獨(dú)立的銅柱進(jìn)行支撐，以確保該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性.整個(gè)結(jié)構(gòu)被銅組成的電壁環(huán)繞，可以將信號(hào)沿z軸方向輻射，同時(shí)將經(jīng)過(guò)背板反射回來(lái)的波限制在沿輻射方向傳播，可以保證天線方向圖的穩(wěn)定和低副瓣性.

天線結(jié)構(gòu)均用高頻仿真軟件CST和HFSS進(jìn)行建模和關(guān)鍵參數(shù)的仿真優(yōu)化.為縮短每一次的仿真時(shí)間，在建模時(shí)，端口接50 Ω 的匹配負(fù)載，饋電端口處增加一段PEC材料，以保證該處入射電磁波波阻抗不受頻率影響.整個(gè)結(jié)構(gòu)全部放置在被空氣填充的腔體內(nèi)，以確?？諝馕⑼S天線單元是完全工作在非介質(zhì)存在的情況下.±z軸處的邊界條件被設(shè)置為“open（add space）”，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)單元的快速仿真.入射波在+z軸的邊界面上，沿-z軸方向照射到結(jié)構(gòu)對(duì)稱中心與直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合的結(jié)構(gòu)單元上.微同軸天線單元是非介質(zhì)傳播，因此不受極化現(xiàn)象的影響，無(wú)論入射波電場(chǎng)的極化方向沿x軸還是沿y軸方向，結(jié)果均一致.

為了進(jìn)一步提升微同軸天線的方向性，將上述微同軸天線單元進(jìn)行四元并饋組陣.根據(jù)天線理論，多個(gè)微同軸天線單元同時(shí)存在于空間時(shí)，它們之間會(huì)發(fā)生電磁耦合.其中任一個(gè)微同軸天線單元的阻抗由于受到周圍其他微同軸天線單元的影響，將不同于它單獨(dú)存在時(shí)的阻抗值.互耦和頻率的關(guān)系表現(xiàn)在陣元之間的距離和對(duì)應(yīng)頻率的波長(zhǎng)的關(guān)系，因此，在HFSS中，通過(guò)對(duì)不同陣元間距的優(yōu)化仿真，同時(shí)設(shè)置主從邊界條件，最后使用方向圖乘積法，確定了優(yōu)化仿真模型，并得到了考慮過(guò)互耦影響的陣列方向圖仿真結(jié)果.優(yōu)化仿真模型如圖4所示.

圖4 微同軸天線單元并饋組陣仿真示意圖

3 晶圓級(jí)空氣微同軸加工工藝研究與分析

銅基3D 微同軸工藝是基于光刻技術(shù)，在此基礎(chǔ)上引入平坦化工藝和支撐介質(zhì)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)多層、懸空的復(fù)雜同軸結(jié)構(gòu).微同軸結(jié)構(gòu)采用5層金屬結(jié)構(gòu)組成，利用分層增材式的加工方式，代替金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)逐個(gè)焊接組裝的機(jī)加工方式，使得加工精度和一致性得到數(shù)量級(jí)提升.圖5所示為微同軸晶圓級(jí)加工工藝流程.

圖5 晶圓級(jí)微同軸結(jié)構(gòu)工藝總體方案

圖5 可以將晶圓級(jí)單層微同軸結(jié)構(gòu)工藝總體方案過(guò)程表示如下：

（1）載體涂覆光刻膠、光刻和顯影（S1）；

（2）電鍍銅導(dǎo)體層，導(dǎo)體/光刻膠平坦化，完成外導(dǎo)體底層（S2）；

（3）重復(fù)步驟（1）、（2），制作微同軸外導(dǎo)體下層外墻（S3、S4）；

（4）微同軸中心導(dǎo)體支撐介質(zhì)制作（S5）；

（5）重復(fù)光刻、電鍍及平坦化，形成中心導(dǎo)體和外導(dǎo)體中層外墻（S6、S7）；

（6）重復(fù)光刻、電鍍及平坦化，完成完整的單層立體微同軸傳輸線導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（S8、S9、S10）；

（7）釋放光刻膠，形成微同軸器件結(jié)構(gòu)（S11）；

（8）襯底剝離，將微同軸器件從襯底晶圓釋放（S12）.

考慮到W 波段加工工藝誤差，在晶圓加工過(guò)程中采用激光直寫(xiě)曝光替代傳統(tǒng)接觸式曝光，解決了光刻粘版和曝光衍射問(wèn)題，配合間歇懸浮式顯影，最終獲得高精度和高側(cè)壁垂直度的光刻線寬.同時(shí)，利用高精度化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的銅拋光工藝處理鍍銅凸出膠層部分，實(shí)現(xiàn)了快速平坦化.最后，選取SU-8 作為介質(zhì)支撐材料，利用旋涂法進(jìn)行材料沉積，采用光刻顯影經(jīng)過(guò)圖形化處理，實(shí)現(xiàn)了微同軸對(duì)支撐結(jié)構(gòu)尺寸的精度需求.線寬精度可提高至50 μm±2 μm以內(nèi).

在毫米波/太赫茲頻段，平面電路通過(guò)過(guò)孔方式實(shí)現(xiàn)的上下層電路互聯(lián)會(huì)引入較大的損耗，而微同軸的上下層互聯(lián)與水平互聯(lián)在損耗上沒(méi)有區(qū)別，非常有利于電路的縱向擴(kuò)展.雖然金屬波導(dǎo)也可以實(shí)現(xiàn)很低的縱向互聯(lián)插損，但是對(duì)于更復(fù)雜的三維互聯(lián)，機(jī)械加工往往難以完成，而微同軸結(jié)構(gòu)加工難度并不隨電路的復(fù)雜程度而增加.微同軸結(jié)構(gòu)低介電常數(shù)、低損耗的特點(diǎn)，非常有利于實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶、高輻射效率等特性.

4 仿真與測(cè)試

通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件CST 和HFSS，對(duì)圖1 的微同軸傳輸結(jié)構(gòu)和圖2 的微同軸天線單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，分別驗(yàn)證微同軸傳輸線的低損耗性和微同軸天線的優(yōu)良輻射特性.

4.1 微同軸傳輸線的性能仿真

對(duì)圖1 所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了其在毫米波頻段傳輸線插入損耗及反射系數(shù)情況，如圖6所示.

圖6 微同軸傳輸線散射系數(shù)仿真結(jié)果

由圖6可知，在90 GHz～98 GHz的通帶范圍內(nèi)，微同軸傳輸線兩端口反射系數(shù)均小于-40 dB，插入損耗控制在-0.093 dB/cm.仿真結(jié)果顯示，微同軸傳輸線的阻抗匹配達(dá)到了很好的效果，并且低損耗的傳輸特性使得其非常適用于傳輸功率和傳輸效率均要求苛刻的場(chǎng)合，并且可以在極小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度集成，是兼顧電性能和小型化雙重需求的選擇.同時(shí)，散射系數(shù)的優(yōu)良，使得其用于微同軸天線單元饋電時(shí)，保證了信號(hào)的完整性和屏蔽性.

4.2 W波段微同軸天線單元、陣列的性能仿真

根據(jù)圖2所示的微同軸天線單元結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)尺寸的優(yōu)化，得到了表2 尺寸數(shù)值，并在此基礎(chǔ)上，利用CST、HFSS仿真軟件對(duì)該天線單元進(jìn)行了優(yōu)化仿真，仿真對(duì)象主要有端口反射系數(shù)、匹配情況、增益和方向圖.

表2 對(duì)應(yīng)的尺寸設(shè)計(jì)需要建立在50 Ω 阻抗匹配環(huán)境，因?yàn)槠ヅ淝闆r好壞決定著毫米波信號(hào)是否可以無(wú)失真地由天線單元輻射出去.在微波毫米波頻段里，等效表面阻抗Zs可由以下公式求得：

其中，Rs表示等效電阻，Xs表示等效電抗.

經(jīng)過(guò)建模仿真，微同軸天線單元在中心頻率94 GHz 附近的反射系數(shù)、阻抗匹配、E 面與H 面增益仿真曲線如圖7所示.

圖7 微同軸天線單元各指標(biāo)仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)優(yōu)化仿真，微同軸天線單元并饋組陣端口反射系數(shù)，以及90 GHz、94 GHz、98 GHz 處遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 微同軸天線單元并饋組陣方向圖仿真結(jié)果

根據(jù)經(jīng)過(guò)仿真得到的微同軸天線單元的反射系數(shù)參數(shù)結(jié)果，在帶寬約8 GHz內(nèi)，反射系數(shù)均小于-10 dB，從電路匹配和信號(hào)駐波的角度來(lái)看，可以基本滿足可加工的要求.天線單元等效阻抗只有實(shí)部部分，Zs≈49.93 Ω，可視為50 Ω，實(shí)現(xiàn)了較好的阻抗匹配.受微同軸天線的組成成分影響，單元的增益在端射點(diǎn)處約為7.35 dBi，無(wú)柵瓣產(chǎn)生，指標(biāo)與等口徑的喇叭天線接近，因?yàn)槠浣橘|(zhì)損耗和傳輸損耗極小，所以效率也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)貼片天線.

由于輻射單元饋電位置的不對(duì)稱性，天線的H 面方向圖也呈現(xiàn)出不對(duì)稱性.表3 總結(jié)出了上述微同軸天線陣列若干指標(biāo)仿真結(jié)果.

表3 微同軸陣列天線反射系數(shù)、增益、3 dB波束寬度vs 頻率的仿真結(jié)果

在90 GHz～98 GHz 工作頻帶范圍內(nèi)，根據(jù)饋電位置相對(duì)于H 面是非對(duì)稱的，經(jīng)過(guò)理論和對(duì)仿真情況的分析，該仿真結(jié)果符合并饋陣列天線的關(guān)鍵指標(biāo)要求.

4.3 W 波段微同軸傳輸線和天線單元、陣列加工測(cè)試結(jié)果

建立在新型晶圓級(jí)封裝技術(shù)之上，基于上述晶圓級(jí)微同軸結(jié)構(gòu)工藝總體方案，實(shí)際制作出了該微同軸天線單元.同時(shí)，在亞毫米級(jí)對(duì)第2節(jié)仿真優(yōu)化得到的并饋陣列天線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)物加工，圖9顯示的是模型實(shí)際尺寸與傳統(tǒng)四通道毫米波波導(dǎo)天線尺寸對(duì)比示意圖，該模型中的并饋組陣天線面尺寸僅為8 mm×1.6 mm.經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，其體積僅為傳統(tǒng)波導(dǎo)天線體積的1/100.

圖9 微同軸天線單元并饋組陣加工實(shí)物及尺寸對(duì)比圖

將微同軸陣列天線固定在測(cè)試臺(tái)上，經(jīng)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試類工具如探針組件等校準(zhǔn)后，探針組件的插損可以視為0.建立在高精準(zhǔn)度測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)微同軸陣列天線的反射系數(shù)、方向圖、增益進(jìn)行了綜合實(shí)測(cè)，并得到相應(yīng)仿真實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比示意圖及表格.

反射系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖10所示.

圖10 微同軸天線單元并饋組陣反射系數(shù)測(cè)試曲線圖

由此可見(jiàn)，測(cè)試結(jié)果與圖8（a）所示微同軸天線單元并饋組陣反射系數(shù)仿真曲線圖基本吻合，反射系數(shù)在90 GHz～98 GHz 頻帶范圍內(nèi)均在-10 dB 以下.設(shè)置W 波段標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線作為輻射源，由于毫米波空間傳播衰減嚴(yán)重，所以將輻射源與微同軸陣列天線之間的距離設(shè)定為1 m，后者接收到的輻射對(duì)應(yīng)于90 GHz、94 GHz和98 GHz處的歸一化E面與H面方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比照如圖11所示.

圖11 微同軸天線單元并饋組陣E面、H面方向圖仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果示意圖

同時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的增益作為參考值，實(shí)際測(cè)量微同軸天線單元和微同軸陣列天線的增益，并分別和各自的仿真結(jié)果作對(duì)比，結(jié)果如圖12所示.

圖12 微同軸天線單元及陣列天線增益

由圖12可知，在工作頻帶內(nèi)，該微同軸天線單元增益滿足大于7 dBi 的性能指標(biāo)，增益平坦度為0.22 dB，一致性較好.與此同時(shí)，微同軸陣列天線增益超過(guò)12 dBi，增益平坦度為0.85 dB，但隨著頻率提高會(huì)有上下浮動(dòng)，分析其原因可能是經(jīng)過(guò)天線單元并饋組陣后，每個(gè)天線單元之間的互耦效應(yīng)導(dǎo)致耦合能量的矢量和會(huì)在特定頻率產(chǎn)生反射，反映在增益上就會(huì)有隨頻率變化的波動(dòng)，但測(cè)試曲線的走線趨勢(shì)基本與仿真曲線相吻合，平坦度指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

利用式（3）近似估算天線的方向性D.

天線效率可以利用式（4）計(jì)算得到.

其中G是天線增益.

表4列舉了在上述三個(gè)頻點(diǎn)端射處的反射系數(shù)、增益、E 面和H 面的3 dB 波束寬度，以及天線效率的仿真實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照情況.

表4 微同軸陣列天線反射系數(shù)、增益、3 dB波束寬度vs 頻率的仿真實(shí)測(cè)對(duì)照

由表4 可知，該結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)、波束寬度和天線效率實(shí)測(cè)值和仿真結(jié)果基本相符.該并饋組陣天線表現(xiàn)出了很好的輻射特性，并且在8 GHz 的范圍內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了不受頻率影響的輻射分布，天線效率基本維持在90%以上，充分體現(xiàn)了微同軸天線結(jié)構(gòu)的超低損耗，與仿真結(jié)果高度一致.這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步表明，該3 mm微同軸天線在滿足高增益寬帶輻射特性的同時(shí)，大大減小了天線的尺寸和剖面高度，這與同頻段工作下的其他類型天線相比是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì).

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的W 波段空氣填充微同軸天線單元增益大于7 dBi，陣列天線增益大于12 dBi，后者的E 面方向圖3 dB 波束角超過(guò)了20°，天線輻射效率達(dá)到90%，并且微同軸天線的晶圓級(jí)加工發(fā)揮了小型化的優(yōu)勢(shì)，使得其與相同波段工作的波導(dǎo)天線相比，體積最大可降至1/100.傳統(tǒng)3 mm 介質(zhì)諧振器天線、MEMS 天線等雖然可以滿足本身具有小型化的優(yōu)勢(shì)，但其在減少損耗方面對(duì)介質(zhì)的參數(shù)要求較大.基于銅基3D 微同軸的毫米波天線單元及其陣列天線具備很好的圓片級(jí)加工特點(diǎn)，可以不受介質(zhì)類型的限制，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該頻段的有源相控陣天線，并且其性能可以滿足未來(lái)在5G 毫米波通信中的應(yīng)用，發(fā)揮其小型化、低損耗的顯著優(yōu)勢(shì).未來(lái)射頻微系統(tǒng)是矩形微同軸器件發(fā)展的必然趨勢(shì)，它將對(duì)傳統(tǒng)射頻電路的設(shè)計(jì)、制造實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)集成方式產(chǎn)生巨大影響.隨著研究深入，3D 微同軸天線結(jié)構(gòu)的潛力也將在太赫茲頻段的應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊前景.