一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的方法
【专利摘要】本发明涉及一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的方法，适用于太赫兹波段成像系统或短距离太赫兹通信系统。本发明的天线提出了多个具有有益效果的结构：扩张的喇叭，与波导相比可以提高辐射效率和方向图旋转对称性；“V”形波纹槽，截断表面电流，有效的提高增益的同时可以降低天线周围金属结构对天线性能的影响；定位凹槽，可保证天线在安装对接时的精确对位；喇叭喉部的台阶，可以显著提高喇叭结构的设计自由度，降低上下两层硅片的对位误差对天线性能的影响，提高加工成品率。通过上述思路设计和实现的太赫兹天线适用性广，易于形成阵列，易于固定和测试。本发明的天线工作在450GHz～530GHz频带内，天线驻波小于1.6，带内增益大于15dB，最高增益可达16.6dB。
【专利说明】一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的方 法【技术领域】[0001]本发明涉及一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的方法，适用于 太赫兹波段成像系统或短距离太赫兹通信系统。【背景技术】[0002]太赫兹成像技术是太赫兹技术应用的重要领域，可应用于机场安全检查、产品无 损检测等。目前，太赫兹焦平面成像技术是国际上对于太赫兹成像研究的热点之一。太赫 兹焦平面成像系统一般采用的天线有平面螺旋天线、喇叭天线、单级子或偶极子天线。在太 赫兹波段，电磁波波长很小，天线和无源器件绝对尺寸小，受限于材料特性和制备工艺，采 用常规加工工艺已无法完全满足复杂结构或精细结构的设计。平面螺旋天线等印刷类天线 虽然工艺上易于实现，但是其方向图的定向性差，天线的辐射增益较低。喇叭天线作为一种 高定向性的天线，易于形成增益较大的笔形波束。目前国内的机械加工喇叭天线，收到加工 工艺的限制很难覆盖到0.5THZ的频段。国外虽可以通过精密的机械加工工艺制备0.5THZ 的喇叭天线，但是成本很高。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了提出一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的 方法。[0004]本发明的一种0.5THz波纹喇叭天线，该天线为一长方体，在长方体相邻的两个侧 面各开有一个定位凹槽，在长方体的上表面正中心位置有喇叭结构，喇叭结构的下方为波 导，喇叭结构与波导之间用台阶相连，在喇叭结构的两侧各有两个波纹槽；波纹槽为V形；[0005]本发明的一种利用MEMS工艺进行制备0.5THz波纹喇叭天线的方法，步骤为:[0006]I)在上层硅片的上表面采用KOH各向异性刻蚀加工喇叭结构和“V”形波纹槽；[0007]2)在上层硅片的下表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；[0008]3)在下层硅片的上表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；[0009]4)分别对上层硅片的表面和下层硅片的表面进行溅金；[0010]5)利用金-金键合工艺将步骤4)得到的上层硅片和下层硅片结合在一起。[0011]6)通过划片将天线单元分离，获得加工成品。[0012]有益效果[0013]本发明充分合理的利用了国内现有的MEMS制备工艺，实现了具有高精度，高一致 性，且成本较低的0.5THz喇叭天线的。所提出的台阶和波纹结构可以显著的提升天线增 益，同时降低加工误差和天线周围金属环境对天线性能的影响。[0014]本发明的天线提出了多个具有有益效果的结构:扩张的喇叭，与波导相比可以提 高辐射效率和方向图旋转对称性形波纹槽，截断表面电流，有效的提高增益的同时可 以降低天线周围金属结构对天线性能的影响；定位凹槽，可保证天线在安装对接时的精确对位；喇叭喉部的台阶，可以显著提高喇叭结构的设计自由度，降低上下两层硅片的对位误 差对天线性能的影响，提高加工成品率。通过上述思路设计和实现的太赫兹天线适用性广， 易于形成阵列，易于固定和测试。[0015]本发明的天线工作在450GHZ?530GHZ频带内，天线驻波小于1.6，带内增益大于 15dB，最高增益可达16.6dB。【专利附图】
【附图说明】[0016]图1是本发明整体示意图；[0017]图2是本发明的结构示意图；[0018]图3是本发明的剖面结构示意图；[0019]图4是本发明实施例在450GHz?530GHz频带内的电压驻波比曲线；[0020]图5是本发明实施例在450GHz?530GHz频带内的最大增益曲线；[0021]图6a是本发明优选实施例在470GHz频点的E面方向图；[0022]图6b是本发明优选实施例在500GHz频点的E面方向图；[0023]图6c是本发明优选实施例在530GHz频点的E面方向图；[0024]图7a是本发明优选实施例在470GHz频点的H面方向图；[0025]图7b是本发明优选实施例在500GHz频点的H面方向图；[0026]图7c是本发明优选实施例在530GHz频点的H面方向图；[0027]图8a是本发明在500GHz频点当W和L改变时的E面方向图；[0028]图8b是本发明在500GHz频点当W和L改变时的H面方向图；【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、图2、图3所示，一种0.5THz波纹喇叭天线，该天线为一长方体 (8mmX8mmX0.8mm),在长方体相邻的两个侧面各开有一个定位凹槽,主要用于在一体化 工艺下预留与天线夹具的固定卡槽；在长方体的上表面正中心位置有喇叭结构，喇叭口面 的尺寸为1.34mmX1.02mm，以与硅片平面54.7°的夹角收缩，喇叭的长度为0.4mm ;喇叭 结构的下方为波导，波导型号WR2.2,横截面尺寸为0.56mmX0.28mm),长度为0.4mm ;喇 叭结构与波导之间用台阶相连，在喇叭结构的两侧各有两个V形波纹槽，槽口尺寸分别为1.25mmX0.25mm和1.75mmX0.375mm,以与硅片平面54.V的夹角收缩。[0032]一种利用MEMS工艺进行制备0.5THz波纹喇叭天线的方法，步骤为:[0033]I)在上层硅片的上表面采用KOH各向异性刻蚀加工喇叭结构和“V”形波纹槽；[0034]2)在上层硅片的下表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；[0035]3)在下层硅片的上表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；[0036]4)分别对上层硅片的表面和下层硅片的表面进行溅金；[0037]5)利用金-金键合工艺将步骤4)得到的上层硅片和下层硅片结合在一起。[0038]6)通过划片将天线单元分离，获得加工成品。[0039]上层硅片和下层硅片均采用厚度为400 μ m的硅片；[0040]划片后的单个天线外尺寸为W = 8mmXL = 8mm。完成后的天线结构外表面均为金。[0041]对得到的天线进行测试，得到本发明实施例的驻波特性、增益特性和方向图，并分 别绘制于图4、图5、图6和图7中。[0042]该实施例的天线工作在450GHz?530GHz频段内，驻波比小于1.6。曲线由图4所/Jn ο[0043]该实施例的天线在工作频段内的增益均大于15.5dB，最大增益可达16.6dB。曲线 由图5所示。[0044]该实施例的天线的E面与H面方向图均表现出优异的定向性，且副瓣电平较低。方 向图由图6和7所示。[0045]在本发明中，划片后采用较大的硅片尺寸(WX L)作为单个天线结构可以有充足的 结构用于天线固定，同时可以非常有效的降低天线夹具对天线性能的影响。而从图8可以 看出，由于采用“V”形波纹槽可以使硅片尺寸的变化在一定程度上对天线辐射性能几乎没 有影响。[0046]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】
1.一种0.5THZ波纹喇叭天线，其特征在于:该天线为一长方体，在长方体相邻的两 个侧面各开有一个定位凹槽，在长方体的上表面正中心位置有喇叭结构，喇叭结构的下方 为波导，喇叭结构与波导之间用台阶相连，在喇叭结构的两侧各有两个波纹槽；波纹槽为V 形。
2.一种利用MEMS工艺进行制备0.5THz波纹喇叭天线的方法，其特征在于步骤为:1)在上层硅片的上表面采用KOH各向异性刻蚀加工喇叭结构和“V”形波纹槽；2)在上层硅片的下表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；3)在下层硅片的上表面采用DRIE刻蚀加工定位凹槽；4)分别对上层硅片的表面和下层硅片的表面进行溅金；5)利用金-金键合工艺将步骤4)得到的上层硅片和下层硅片结合在一起。6)通过划片将天线单元分离，获得加工成品。
【文档编号】H01Q13/02GK103560326SQ201310505614
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】刘埇, 卢宏达, 高子健, 赵鹏飞, 李庆, 吕昕 申请人:北京理工大学