一种基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型的用于卫星星间通信的基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵。
【背景技术】
[0002]微波通信技术在星间链路的应用有超过半个世纪的历史，为了满足日益爆炸般增加的通信数据量要求，所要求的微波带宽不断提高，致使载波频率迅猛提高。如美国新一代的军事卫星通信系统星间链路的工作频率达到了 60GHz。众所周知，微波毫米波通信面临的巨大问题是空间链路衰减，而星间通信的特点恰恰是超远距离。传统地面毫米波通信使用的“三大法宝”(高发射功率、大口径天线阵、极低噪声接收)由于器件的制约，在太空环境下无法进一步满足更高数据率更远传输距离的实际要求。而空间激光通讯方式由于空间平台抖动会使发射激光束产生摆动。造成通信中断或系统误码率增加，在远距离通信中对于对准与跟踪系统的要求非常苛刻。
[0003]太赫兹(THz)频段高于毫米波而低于长波红外，其频段范围在0.3THZ至30THz之间(波长1mm?ΙΟμπι)。从微波电子学的角度说，太赫兹是一种亚毫米波，从红外光学的角度说，太赫兹是一种远红外波。由于太赫兹的波长在几十微米至几百微米的范围，正好落在了目前半导体工艺可以加个的尺度范围之内。由于半导体工艺的迅猛发展，使得利用半导体工艺实现巨量的天线单元成为可能。
【发明内容】
[0004]利用太赫兹具备无线电波的特点，利用标准半导体工艺线(如CMOS)设计实现上万乃至数百万、数千万单元的天线阵。天线阵的电子扫描方式能快速调整波束方向，从而实现收发机之间波束的对准。非相干解调方式对天线阵的几何间距与几何位置要求不是那么严格，所以在升空过程中可以将很多巨量天线阵堆叠起来，到了太空以后再展开，以扩大天线阵的等效口径。
[0005]本发明提出的一种基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，包含104?107量级个太赫兹天线阵元，所述太赫兹天线阵由多个太赫兹天线阵元进行排列形成，采用CMOS工艺线通过在硅基晶圆上集成太赫兹相控阵天线阵列实现空间能量合成与波束形成，形成高增益的窄波束天线;单个太赫兹天线阵元的尺寸为1mm量级，1米量级半径的圆盘天线阵列包含3.14X(1000)2 = 314万量级个单个太赫兹天线阵元，从而为300GHz频率的太赫兹波提供60dB的增益，其波束宽度为0.14°。
[0006]所述CMOS工艺线是40纳米CMOS工艺线、65纳米CMOS工艺线、0.13微米CMOS工艺线、
0.18微米CMOS工艺线中的一种。
[0007]本发明基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，由集成有太赫兹天线阵元的多片12寸或多片8寸硅基晶圆拼接而成。
[0008]所述硅基晶圆是12寸硅基晶圆，在该12寸硅基晶圆上采用0.13微米CMOS工艺线集成有104数量级的单个太赫兹天线阵元，将16片这样的集成有单个太赫兹天线阵元的12寸娃基晶圆拼接形成包含107量级个太赫兹天线阵元的巨量太赫兹天线阵。
[0009]天线的基本谐振是半波谐振，也就是说100微米就可以构成谐振。越长谐振接收效率越高。而现在成熟的硅半导体工艺的加工精度都是在深亚微米、甚至到数十纳米，足以满足天线阵的加工精度要求。假设工作在自由空间波长为600微米(500GHz)的太赫兹电磁波，在介电常数为9.8的硅基础上的等效波长约为200um。按照天线谐振的基本原理，只要天线总长度与半波长相比拟就能发生谐振，那么利用半径为75微米的标准射频电感工艺加工出四圈的螺旋电感，就等效于一个长度为900微米的环形电磁波天线。若采用有近20年商业化大规模加工历史的0.13微米CMOS工艺线来加工，一平方毫米可以获得大约49个这样的四圈微型环形天线，那么理论上12英寸标准晶圆(即直径为300毫米)上可以实现高达122.5万个这样的微形天线。
【附图说明】
[0010]图1基于半导体工艺的单片晶圆上天线阵；
[0011]图2基于半导体工艺的多晶圆巨量天线阵。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0013]本发明一种基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，包含104?107量级个太赫兹天线阵元，所述太赫兹天线阵由多个太赫兹阵元进行排列形成，采用诸如40纳米、65纳米、
0.13微米、0.18微米中的一种CMOS工艺线通过在硅基晶圆上集成太赫兹相控阵天线阵列实现空间能量合成(Space-power Combining)与波束形成(Beamforming)，形成高增益的窄波束天线。如图1所示为本发明的基于半导体工艺的单片晶圆上天线阵示意图。单个太赫兹天线阵元的尺寸为1mm量级，1米量级半径的圆盘天线阵列可以集成包含3.14 X (1000)2 = 314万量级个单个太赫兹天线阵元，从而能够为300GHz频率的太赫兹波提供60dB的增益，其波束宽度为0.14°。
[0014]本发明基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵可以由集成有太赫兹天线阵元的多片12寸或多片8寸硅基晶圆拼接而成。例如:在一片12寸硅基晶圆上采用0.13微米CMOS工艺线集成有104数量级的单个太赫兹天线阵元，将16片这样的集成有单个太赫兹天线阵元的12寸硅基晶圆拼接形成包含107量级个太赫兹天线阵元的巨量太赫兹天线阵。
[0015]图2为基于半导体工艺的多晶圆拼接方式形成的巨量天线阵。因为目前半导体硅基晶圆的直径有限，如常见的12寸晶圆直径为30cm，那么为实现大口径(如lm)的天线阵列，需要将多个12寸晶圆进行拼接，整合出近似圆形的大口径巨量天线阵系统，以增大接收面积，聚集接收到的能量，降低APT的对准要求。此外，太赫兹巨量天线阵列能对特定频率的入射波进行共振吸收，一方面对接收信号进行放大，另一方面能够抑制其他的非共振频率，这种接收方式能达到‘单色，接收，使得背景干扰的噪声减小。
[0016]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，但这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，其特征在于:包含104?107量级个太赫兹天线阵元，所述太赫兹天线阵由多个太赫兹天线阵元进行排列形成，采用CMOS工艺线通过在硅基晶圆上集成太赫兹相控阵天线阵列实现空间能量合成与波束形成，形成高增益的窄波束天线;单个太赫兹天线阵元的尺寸为1mm量级，1米量级半径的圆盘天线阵列包含3.14X(1000)2 = 314万量级个单个太赫兹天线阵元，从而为300GHz频率的太赫兹波提供60dB的增益，其波束宽度为0.14°。2.根据权利要求1所述基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，其特征在于:CMOS工艺线是40纳米CMOS工艺线、65纳米CMOS工艺线、0.13微米CMOS工艺线、0.18微米CMOS工艺线中的一种。3.根据权利要求1所述基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，其特征在于:由集成有太赫兹天线阵元的多片12寸或多片8寸硅基晶圆拼接而成。4.根据权利要求3所述基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，其特征在于:所述硅基晶圆是12寸硅基晶圆，在该12寸硅基晶圆上采用0.13微米CMOS工艺线集成有104数量级的单个太赫兹天线阵元，将16片这样的集成有单个太赫兹天线阵元的12寸硅基晶圆拼接形成包含107量级个太赫兹天线阵元的巨量太赫兹天线阵。
【专利摘要】本发明公开了一种基于半导体工艺的巨量太赫兹天线阵，包含104～107量级个太赫兹天线阵元，所述太赫兹天线阵由多个太赫兹阵元进行排列形成，采用CMOS工艺线通过在硅基晶圆上集成太赫兹相控阵天线阵列实现空间能量合成与波束形成，形成高增益的窄波束天线；单个太赫兹天线阵元的尺寸为1mm量级，1米量级半径的圆盘天线阵列包含3.14×(1000)2＝314万量级个单个太赫兹天线阵元，从而为300GHz频率的太赫兹波提供60dB的增益，其波束宽度为0.14°。还可以将多片硅基晶圆拼接形成，最终形成集成有107数量级的单个太赫兹天线阵元。本发明是利用太赫兹具备无线电波的特点，利用标准半导体工艺线设计实现上万乃至数百万、数千万单元的天线阵。
【IPC分类】H01Q1/52, H01Q21/00
【公开号】CN105449377
【申请号】CN201510957812
【发明人】陈霏, 马建国
【申请人】天津大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月16日