基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列制造技術(shù)

本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列，涉及波導(dǎo)天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域。所述天線(xiàn)陣列包括從上到下依次固定連接在一起的天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層，所述天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層采用硅基介質(zhì)基板制作，所述天線(xiàn)層的上表面設(shè)有兩行以上且行內(nèi)間隔設(shè)置的尺寸相同的矩形刻蝕區(qū)，所述天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層除側(cè)面外設(shè)有金屬層。所述天線(xiàn)陣列基于MEMS體微加工工藝中的貫穿式蝕刻和表面鍍金工藝，在三層硅基介質(zhì)基板上，利用兩端短路的雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)結(jié)合周期性的磁流抑制枝節(jié)的方式，得到了在寬頻帶內(nèi)方向圖穩(wěn)定的高增益天線(xiàn)陣。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列
本技術(shù)涉及波導(dǎo)天線(xiàn)
，尤其涉及一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列。
技術(shù)介紹
隨著人們對(duì)高速率、高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)通信服務(wù)的追求，目前無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)中Mbps級(jí)的傳輸速率已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信的需求，另外現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)頻譜資源也越來(lái)越擁擠，督促?gòu)臉I(yè)人員開(kāi)發(fā)更高頻率的通信頻段。免執(zhí)照的60GHz毫米波頻段憑借其豐富的頻寬資源和Gbps級(jí)的傳輸速率，以及頻率復(fù)用、抗干擾性強(qiáng)和易于小型化等諸多優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。通信頻率升高到毫米波段帶來(lái)的問(wèn)題是元器件對(duì)于加工精度的要求的提高，傳統(tǒng)的印制電路板加工工藝難以滿(mǎn)足所需精度，因此高精度的加工工藝成為毫米波通信的挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)有一些工藝可以滿(mǎn)足毫米波元器件所需精度，比如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）加工工藝，低溫共燒陶瓷工藝（LTCC），SU-8光刻膠工藝，擴(kuò)散焊接工藝和介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）工藝等。MEMS是指能夠?qū)⑽鞲衅鳌⑽㈦姍C(jī)、微功率源、信號(hào)處理控制電路和其他微小元器件集成于單個(gè)芯片的系統(tǒng)，MEMS元器件的尺寸通常為毫米或微米級(jí)別，因此微加工工藝是制造MEMS設(shè)備和元器件的基礎(chǔ)技術(shù)。微加工工藝中最成熟的技術(shù)是源于集成電路加工工藝的硅微加工工藝，它是指在微米級(jí)別的精度上精加工硅基介質(zhì)基板，加工工藝包括蝕刻，擴(kuò)散，光刻，離子注入，外延和汽相淀積等。硅微加工工藝又分為體微加工和表面微加工工藝。體微加工工藝是指利用蝕刻工藝選擇性移除單晶硅片上的某一部分，選擇性蝕刻可以提升天線(xiàn)性能，體微加工工藝最早在1989年用來(lái)生產(chǎn)毫米波天線(xiàn)，利用體微加工工藝生產(chǎn)的微結(jié)構(gòu)精度可以達(dá)到微米級(jí)并且可以加工具有高深寬比的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今大多數(shù)MEMS設(shè)備和元器件都是利用硅的體微加工工藝生產(chǎn)制造的。表面微加工工藝是在硅片的表面通過(guò)沉積犧牲層和結(jié)構(gòu)層，然后蝕刻掉犧牲層得到所需的微結(jié)構(gòu)，該工藝流程十分復(fù)雜并且生產(chǎn)得到的最終結(jié)構(gòu)一般為平面結(jié)構(gòu)。LIGA工藝也是MEMS微加工工藝的一種，基于X射線(xiàn)光刻技術(shù)，該工藝流程包括X光深度同步輻射光刻，電鑄成型和塑料鑄膜，利用LIGA生產(chǎn)得到的微結(jié)構(gòu)深寬比可達(dá)200以上并且可以制作任意復(fù)雜的圖形結(jié)構(gòu)；但是X射線(xiàn)光刻需要同步輻射光源，成本很高，而且難于與IC集成制作。LTCC是現(xiàn)今多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成的主流技術(shù)，LTCC技術(shù)是在由低溫?zé)Y(jié)的陶瓷粉制成生瓷帶上制成所需的電路圖形，然后疊壓并在900℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路；但是LTCC有很多不足：共燒時(shí)基板與漿料的燒結(jié)特性不匹配會(huì)導(dǎo)致燒成后的基板表面不平整，層數(shù)多和功率密度高使得散熱成為難題，另外利用LTCC工藝制作的天線(xiàn)精度受限，這些都限制了LTCC工藝在毫米波天線(xiàn)中的應(yīng)用。SU-8光刻膠工藝是利用SU-8膠在近紫外光范圍內(nèi)的低吸收率來(lái)制作具有高深寬比的微結(jié)構(gòu)，深寬比可達(dá)50:1并且側(cè)壁幾乎垂直，但是SU-8光刻膠技術(shù)不能保證橫向尺寸的精度。擴(kuò)散焊接工藝是利用原子擴(kuò)散的原理在兩層金屬間形成可靠連接的過(guò)程，但是該工藝對(duì)相互結(jié)合的兩個(gè)表面的表面光潔度和平整度要求嚴(yán)苛，擴(kuò)散所需時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備一次性投資較大，成本高，無(wú)法進(jìn)行連續(xù)式批量生產(chǎn)。SIW是平面形式的矩形金屬波導(dǎo)，它常用來(lái)制作毫米波槽陣列和貼片陣列，但是在毫米波段介質(zhì)損耗大并且SIW所需的大量金屬過(guò)孔使得生產(chǎn)復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列，所述天線(xiàn)陣列基于MEMS體微加工工藝中的貫穿式蝕刻和表面鍍金工藝，在三層硅基介質(zhì)基板上，利用兩端短路的雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)結(jié)合周期性的磁流抑制枝節(jié)的方式，得到了在寬頻帶內(nèi)方向圖穩(wěn)定的高增益天線(xiàn)陣。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本技術(shù)所采取的技術(shù)方案是：一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列，其特征在于：包括從上到下依次固定連接在一起的天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層，所述天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層采用硅基介質(zhì)基板制作，所述天線(xiàn)層的上表面設(shè)有兩行以上且行內(nèi)間隔設(shè)置的尺寸相同的矩形蝕刻區(qū)，所述窗口層的上表面設(shè)有矩形窗口，在X軸方向上，所述天線(xiàn)層上最左側(cè)的矩形蝕刻區(qū)的左邊緣與所述矩形窗口的左邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層上最右側(cè)的矩形蝕刻區(qū)的右邊緣與所述矩形窗口的右邊緣對(duì)齊；在Y方向上，所述矩形蝕刻區(qū)的上邊緣與所述矩形窗口的上邊緣對(duì)齊，所述矩形蝕刻區(qū)的下邊緣與所述矩形窗口的下邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層、窗口層和耦合能量層除側(cè)面外設(shè)有金屬層。進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述耦合能量層的上表面設(shè)有用于耦合能量和調(diào)節(jié)匹配的耦合槽。進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述矩形窗口的中心與所述耦合槽的中心對(duì)齊。進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：行與行矩形蝕刻區(qū)之間的天線(xiàn)層構(gòu)成上導(dǎo)體，每行內(nèi)的矩形蝕刻區(qū)之間的天線(xiàn)層構(gòu)成磁流抑制枝節(jié)，磁流抑制枝節(jié)位于每個(gè)半周期等效磁流的最大磁流強(qiáng)度位置。進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述矩形蝕刻區(qū)設(shè)有兩行，每行內(nèi)間隔設(shè)有兩個(gè)矩形蝕刻區(qū)。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：1）首次提出了TEM波天線(xiàn)陣列的概念，該天線(xiàn)具有帶寬寬和在頻帶內(nèi)方向圖穩(wěn)定的優(yōu)良性能；2）所述TEM波天線(xiàn)陣列可沿某單一方向擴(kuò)展，生成高增益扇形波束；3）基于MEMS體微加工工藝中的貫穿式蝕刻和表面鍍金工藝，該天線(xiàn)陣列由空氣腔和金屬壁構(gòu)成，電磁波在傳播過(guò)程中只經(jīng)過(guò)空氣介質(zhì)，不經(jīng)過(guò)其他任何介質(zhì)，與同類(lèi)型的其他天線(xiàn)相比，具有寬帶寬和高增益的優(yōu)點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖1是雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是TEM波天線(xiàn)陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本技術(shù)所述天線(xiàn)陣列的一種分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖5中天線(xiàn)層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖5中天線(xiàn)層的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖5中窗口層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖5中窗口層的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖5中耦合能量層的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是圖5中耦合能量層的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是圖5所示天線(xiàn)陣列的反射系數(shù)圖；圖13是圖5所示天線(xiàn)陣列的邊射方向增益曲線(xiàn)圖；圖14是圖5所示天線(xiàn)陣列在均勻分布于頻帶內(nèi)的四個(gè)頻點(diǎn)：50、55、60、65GHz處的歸一化E面（YZ面）的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；圖15是圖5所示天線(xiàn)陣列在均勻分布于頻帶內(nèi)的四個(gè)頻點(diǎn)：50、55、60、65GHz處的歸一化H面（XZ面）的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖；其中：1、天線(xiàn)層2、窗口層3、耦合能量層4、矩形蝕刻區(qū)5、矩形窗口6、耦合槽7、上導(dǎo)體8、磁流抑制枝節(jié)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合本技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本技術(shù)的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本技術(shù)保護(hù)的范圍。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本技術(shù)，但是本技術(shù)還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本技術(shù)內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似推廣，因此本技術(shù)不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。原理：圖1是雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的分解結(jié)構(gòu)示意圖，所述雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)由三層硅基結(jié)構(gòu)：頂部層，中間層和底部層構(gòu)成；頂部層由三部分構(gòu)成，其中7為雙導(dǎo)體TEM波傳輸線(xiàn)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列，其特征在于：包括從上到下依次固定連接在一起的天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦合能量層（3），所述天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦合能量層（3）采用硅基介質(zhì)基板制作，所述天線(xiàn)層（1）的上表面設(shè)有兩行以上且行內(nèi)間隔設(shè)置的尺寸相同的矩形蝕刻區(qū)（4），所述窗口層（2）的上表面設(shè)有矩形窗口（5），在X軸方向上，所述天線(xiàn)層（1）上最左側(cè)的矩形蝕刻區(qū)（4）的左邊緣與所述矩形窗口（5）的左邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層（1）上最右側(cè)的矩形蝕刻區(qū)（4）的右邊緣與所述矩形窗口（5）的右邊緣對(duì)齊；在Y方向上，所述矩形蝕刻區(qū)（4）的上邊緣與所述矩形窗口（5）的上邊緣對(duì)齊，所述矩形蝕刻區(qū)（4）的下邊緣與所述矩形窗口（5）的下邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦合能量層（3）除側(cè)面外設(shè)有金屬層。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于MEMS工藝的硅基TEM波天線(xiàn)陣列，其特征在于：包括從上到下依次固定連接在一起的天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦合能量層（3），所述天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦合能量層（3）采用硅基介質(zhì)基板制作，所述天線(xiàn)層（1）的上表面設(shè)有兩行以上且行內(nèi)間隔設(shè)置的尺寸相同的矩形蝕刻區(qū)（4），所述窗口層（2）的上表面設(shè)有矩形窗口（5），在X軸方向上，所述天線(xiàn)層（1）上最左側(cè)的矩形蝕刻區(qū)（4）的左邊緣與所述矩形窗口（5）的左邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層（1）上最右側(cè)的矩形蝕刻區(qū)（4）的右邊緣與所述矩形窗口（5）的右邊緣對(duì)齊；在Y方向上，所述矩形蝕刻區(qū)（4）的上邊緣與所述矩形窗口（5）的上邊緣對(duì)齊，所述矩形蝕刻區(qū)（4）的下邊緣與所述矩形窗口（5）的下邊緣對(duì)齊，所述天線(xiàn)層（1）、窗口層（2）和耦...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：常樂(lè)，張志軍，王紹東，高艷紅，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，清華大學(xué)，
類(lèi)型：新型
國(guó)別省市：河北,13