太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线及其在体硅mems工艺下的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法，适用于太赫兹波段探测与成像等应用。本发明通过在太赫兹频段上，将90°波纹喇叭天线与加载90°波纹的圆极化器相结合，得到了性能良好的太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线。
【专利说明】太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太赫兹圆极化双层90°波纹喇机天线及其在体娃MEMS工艺下的制备方法，适用于太赫兹波段探测与成像等应用。
【背景技术】
[0002]太赫兹天线设计是服务于太赫兹系统的。当前，比较受关注的太赫兹应用大多集中在成像以及探测。此外，也有很多关于太赫兹通信实用性的论证。在诸多的微波毫米波系统中，波纹喇叭天线是一种受到青睐的前端馈源，以其低交叉极化电平和较好的波束形状，已经得到了很多方面的研究，诸如理论与特性，结构，辐射以及极化等。作为一种改进的波纹喇叭，90°波纹喇叭天线，或者叫做平面波纹喇叭天线，在二十世纪七十年代被提出并研究，该种天线名称由来是因为加载波纹的半张角为90°。这种形式的天线拥有低剖面以及较为简单的结构。近年来仍有关于90°波纹喇叭天线的研究，也被形象的称作“牛眼”天线或低剖面馈源天线。从结构上考虑，90°波纹喇叭天线非常适合体硅MEMS工艺实现，而体硅MEMS工艺已逐渐成为太赫兹天线的一种高效加工方式。因此，太赫兹探测以及通信系统中，90°波纹喇叭天线是具有应用前景的。此外，太赫兹高效圆极化天线鲜有报道，圆极化天线的出现势必会增加太赫兹探测的领域，加大太赫兹通信的信息量，因此，将太赫兹圆极化天线与90°波纹喇叭以及体硅MEMS工艺相结合进行研究，并形成本发明所涉及的太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线及其在体硅MEMS工艺下的制备方法，是具有实际意义的。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种可良好工作在太赫兹频段的圆极化双层90°波纹喇叭天线以及该天线在体硅MEMS工艺下的制备方法。
[0004]本发明中的天线结构由两个主要部分组成:90°波纹喇叭和90°波纹圆极化器。90°波纹喇叭是一个线极化天线，由矩形波导馈电，在波导口面上添加一个波纹，形成90°波纹喇叭天线。在90°波纹喇叭天线上方，添加90°波纹圆极化器，该圆极化器由两部分组成:极化转换结构、两层刻蚀波纹。极化转换结构形状为位置相对且中心对称的两个近似扇形结构；两层刻蚀波纹中，位于内侧的波纹较宽，外侧的较窄。
[0005]本发明的太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线在体硅MEMS工艺下的制备方法，具体流程为:
[0006](I)选取一个双面抛光SOI硅片，双面热生长氧化层，利用掩膜版分别在双面光刻形成需要刻蚀的90°线极化波纹喇叭天线图形窗口，并分别利用ICP干法刻蚀形成馈电波导和一层90°波纹。
[0007](2)选取另一个双面抛光SOI硅片，利用与(I)中相同的工艺方式，刻蚀形成加载双层90°波纹的太赫兹圆极化器结构。
[0008](3)利用溅射金工艺完成两片硅片表面的金属化，准备键合；[0009](4)对两片硅片进行对位后，利用金-金热压键合技术，将两个圆片键合在一起，并通过划片得到独立的天线单元加工成品。
[0010]有益效果
[0011]本发明通过在太赫兹频段上，将90°波纹喇叭天线与加载90°波纹的圆极化器相结合，得到了性能良好的太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线。其中提出了多个具有有益效果的结构:波导口面添加一层90°波纹，作为扼流槽，修正了波导口面周围的电流分布，以配合辐射需要；在90°波纹线极化天线结构上，添加中心对称结构作为极化转换器，使得天线辐射口面产生相位相差90°的正交极化分量，实现圆极化场；在极化转换器结构周围，额外添加了两层波纹，拓展了辐射口面，提高了增益，且进一步修正整体的电流分布，提高辐射效率；该发明中的圆极化方案同时适用于右旋圆极化与左旋圆极化，两者之间只需通过将圆极化器部分做轴对称处理即可进行转换，降低了设计的复杂度。
[0012]本发明的太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线的体硅MEMS工艺制备方法带来的有益效果是，该工艺的工艺物理特性满足本发明中天线加工尺寸要求，且精度高，一致性好，成本低。
[0013]本发明工作在425GHz至475GHz范围内，带内的回波损耗小于_10dB，带内圆极化增益大于11.2dB，带内天顶轴比均小于2dB，圆极化方向图未出现明显副瓣。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明天线结构示意图；
[0015]图2是本发明天线在中心频率天顶轴比随太赫兹圆极化器偏转角度变化曲线；
[0016]图3是本发明天线在体硅MEMS工艺下的制备流程示意图；
[0017]图4是本发明天线在425GHz至475GHz内的回波损耗曲线；
[0018]图5是本发明天线中心频率圆极化方向图；
[0019]图6是本发明天线中心频率轴比随角度变化曲线；
[0020]图7a是本发明天线在425GHz的圆极化方向图；
[0021]图7b是本发明天线在475GHz的圆极化方向图；
[0022]图8是本发明天线在425GHz至475GHz内的增益和天顶轴比曲线；
[0023]图中:
[0024]I 一天线结构俯视图
[0025]2—天线结构侧视图
[0026]3—娃片 A
[0027]4—硅片 B
[0028]5—键合并划片后的天线单元【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0030]实施例
[0031]如图1所示，一种太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线，工作在425GHz至475GHz，天线结构由两个主要部分组成:90°波纹喇叭和90°波纹圆极化器。90°波纹喇叭是一个线极化天线，由WR2.2 (0.56mmX0.28mm)型号波导馈电，在波导口面上添加一个波纹，形成90°波纹喇叭天线。在90°波纹喇叭天线上方，添加90°波纹圆极化器，该圆极化器由两部分组成:极化转换结构、两层刻蚀波纹。极化转换结构形状为位置相对且中心对称的两个近似扇形结构，可以通过设计该结构的旋转角度a得到最佳圆极化轴比，随a变化，中心频率处轴比的变化曲线绘制于图2中；两层刻蚀波纹中，位于内侧的波纹较宽，外侧的较窄。本实施例中，各部分的尺寸为:D1=0.4mm, D2=0.55mm, D3=0.65mm, D4=0.71mm,D5=0.91mm，D6=l.21mm，D7=l.31mm，H1=H2=0.14mm，a =10°。
[0032]如图3所示，本实施例中，太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线利用体硅MEMS工艺制备的流程如下:
[0033](I)选取一个双面抛光SOI硅片A，厚度为400um，双面热生长氧化层，利用掩膜版分别在双面光刻形成需要刻蚀的90°线极化波纹喇叭天线图形窗口，并分别利用ICP干法刻蚀形成馈电波导和一层90°波纹。
[0034](2)选取另一个双面抛光SOI硅片B，厚度为400um，利用与(I)中相同的工艺方式，刻蚀形成加载双层90°波纹的太赫兹圆极化器结构。
[0035](3)利用溅射金工艺完成硅片A和B的硅槽侧面以及底部的金属化，准备键合。
[0036](4)对硅片A和B进行精确对位后，利用金-金热压键合技术，将两个圆片键合在一起，并通过划片得到长宽均为8_的独立的天线单元加工成品。
[0037]本实施例中，得到的天线设计结果，包括回波损耗，方向图，轴比，增益等，分别绘于图4，图5，图6，图7和图8中。
[0038]由设计结果可得，本实施例体现了较好的阻抗匹配。在425GHz至475GHz范围内，回波损耗都在-1OdB以下，如图4所示。
[0039]由设计结果可得，本实施例在中心频率450GHz，得到的右旋圆极化方向图交叉极化电平很低，极化纯度很高，且未出现明显副瓣，如图5所示。
[0040]由设计结果可得，本实施例在中心频率，天顶方向轴比接近ldB，在90° —维上的轴比波束宽度比0° —维上的更宽，如图6所示。
[0041]由设计结果可得，本实施例在工作频带内，体现了较好的圆极化方向图，如图7所
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[0042]由设计结果可得，本实施例在工作频带内，体现了较好的轴比特性与较高的圆极化增益。带内的天顶轴比都在2dB以下，圆极化增益都在11.2dB以上，如图8所示。
[0043]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
【权利要求】
1.太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线，其特征在于:天线结构由两部分组成:90°波纹喇叭和90°波纹圆极化器；90°波纹喇叭是一个线极化天线，由矩形波导馈电，在波导口面上添加一个波纹，形成90°波纹喇叭天线；在90°波纹喇叭天线上方，添加90°波纹圆极化器，该圆极化器由两部分组成:极化转换结构、两层刻蚀波纹；极化转换结构形状为位置相对且中心对称的两个近似扇形结构；两层刻蚀波纹中，位于内侧的波纹较宽，外侧的较窄。
2.太赫兹圆极化双层90°波纹喇叭天线在体硅MEMS工艺下的制备方法，其特征在于步骤为: (1)选取一个双面抛光SOI硅片，双面热生长氧化层，利用掩膜版分别在双面光刻形成需要刻蚀的90°线极化波纹喇叭天线图形窗口，并分别利用ICP干法刻蚀形成馈电波导和一层90°波纹； (2)选取另一个双面抛光SOI娃片,利用与(I)中相同的工艺方式，刻蚀形成加载双层90°波纹的太赫兹圆极化器结构； (3)利用溅射金工艺完成两片硅片表面的金属化，准备键合； (4)对两片硅片进行对位后，利用金-金热压键合技术，将两个圆片键合在一起，并通过划片得到独立的天线单元加工成品。
【文档编号】H01Q21/24GK103531910SQ201310486102
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】卢宏达, 刘埇, 赵鹏飞, 李庆, 刘嘉琳, 吕昕 申请人:北京理工大学