基于MEMS工藝的八角形前腔 亞毫米波集成喇叭天線解析

1 引言
　　在亞毫米波頻段，相比較于微波毫米波頻段，由于頻率更高、波長更短，因而相應(yīng)的器件尺寸更小。而天線作為尺寸和波長大小密切相關(guān)的器件，在亞毫米波頻段的設(shè)計具有很大挑戰(zhàn)。一方面，運(yùn)用新材料、新工藝加工微小尺寸并能滿足亞毫米波公差要求的天線；另一方面，根據(jù)亞毫米波系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究平面集成天線，將天線和檢波器、混頻器等器件運(yùn)用集成天路的工藝加工集成在一起，避免分立結(jié)構(gòu)帶來的連接問題。
　　MEMS技術(shù)是在20世紀(jì)90年代逐步形成的，具有高性能、高效率、低成本、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。MEMS 技術(shù)在微波、毫米波已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，由于其對中等尺度（mesoscale）（1μm～1mm）模型加工具有特殊的優(yōu)越性，因此對THz波段使用的微小器件的制造具有明顯的優(yōu)勢。
　　對于亞毫米波頻段的平面集成天線而言，基片介質(zhì)是需要考慮的重要因素?；橘|(zhì)上的平面天線趨于將大部分能量輻射進(jìn)介質(zhì)中，而不是另一側(cè)的自由空間。解決這個問題通常有兩種方法，一是在基片介質(zhì)一側(cè)集成與相同介電常數(shù)的透鏡；二是采用很薄的基片介質(zhì)。前一種方法需要很高的透鏡加工工藝，介質(zhì)透鏡中的吸收和反射損耗不可避免，且1/4λ匹配層技術(shù)尚有待提高。后一種方法減小了基片介質(zhì)的影響，天線可近似于在自由空間中，但薄基片的支撐弱，需要在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。
　　1990年，Rebeiz等人設(shè)計了集成的喇叭天線，他們將平面天線加工在μm量級厚的介質(zhì)膜片上，膜片內(nèi)置于運(yùn)用MEMS濕法腐蝕而成的硅棱錐喇叭腔。該方法很好的解決了薄膜的支撐問題且增強(qiáng)了天線的輻射，但由于硅晶片厚度的限制（通常不超過800μm），集成喇叭的口徑受到嚴(yán)格限制，為了增強(qiáng)輻射，他們將機(jī)械加工的喇叭口和集成喇叭天線結(jié)合在一起，形成“準(zhǔn)集成”喇叭天線，以增強(qiáng)輻射特性。“準(zhǔn)集成”的方案在頻率較低的亞毫米波頻段可行，到了900GHz左右，會給機(jī)械加工帶來極大的困難。
　　本文提出了一種基于MEMS工藝的新型喇叭結(jié)構(gòu)，設(shè)計適合于亞毫米波高頻段的集成天線。
　　2 工藝
　　本文中采用的MEMS工藝的主要材料是單晶硅，它具有特殊的晶面結(jié)構(gòu)。所采用的MEMS加工工藝有干法刻蝕，也即深反應(yīng)離子刻蝕（deep reactive ion etching， DRIE）和濕法KOH腐蝕（wet KOH etching），兩種工藝中，單晶Si都是重要的材料，其具有多方面的良好特性，以少量摻雜物顯著地改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，由機(jī)械化學(xué)拋光可獲得nm級的表面粗糙度，彈性和剛性系數(shù)良好，以及各向異性蝕刻和劈開等良好特性。Si濕法各項異性刻蝕下，V形槽可以在（100）基片上制作，其（100）面與（111）面形成54.7°的角，垂直側(cè)面的槽可以在（110）基片上制作，其尺寸容限可達(dá)到1.0μm。
　　干法刻蝕可以加工的復(fù)雜形狀的圖形，但同一版的深度是一樣的，且不能太深，無法在縱向做出較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。濕法腐蝕可以利用單晶硅的晶格方向縱向腐蝕出特定角度的結(jié)構(gòu)，但需要掩膜形狀簡單。
　　3 結(jié)構(gòu)
　　Rebeiz等人設(shè)計的集成喇叭天線制作工藝只運(yùn)用了濕法腐蝕工藝加工，受硅晶體的特性所限，棱錐背腔的頂角70.6?，前腔的部分高度受限于硅晶片的厚度，雖然可以通過多層晶片疊加以增加其高度，但喇叭張角局限于70.6?，因而天線的輻射性能比較固定，尤其是天線的輻射方向圖。盡管可以通過在前腔之前再集成機(jī)械加工的不同張角的喇叭結(jié)構(gòu)加以改善，但在900GHz頻段，波長僅有300多μm，機(jī)械加工的精度很難得到保證。
　　為此本文提出了一種新型的完全運(yùn)用MEMS工藝加工制作的集成喇叭天線結(jié)構(gòu)，如圖所示。