無線通訊用硅基微小Spiral天線的設計和制作*

郭興龍，黃 靜

(南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019)

無人駕駛飛機、衛星等飛行器的雷達和通訊系統需要許多天線系統。而且飛行器對承載物有著嚴格的重量和尺寸限制。并且隨著微型無人機、微納衛星的出現，機載或星載電子系統的尺寸越來越小，要求天線尺寸小、重量輕。此外，當工作波段進入毫米波和亞毫米波以后，天線結構尺寸變得極其細小，常規的精密機械加工技術已經不太適用，為了與微電子技術相兼容，要求在硅或砷化鎵等半導體基體上制備天線。這不僅有利于與系統集成，這些基體也具有良好的機械特性的基材［1］，并且移動通訊中無線收發芯片尺寸的縮小也迫切需要新型微型天線，例如，Ericsson(愛立信)公司的單芯片藍牙組件［2］，其尺寸僅為9 mm×9 mm。以往以 PCB作為天線基底材料大大限制了頻帶寬度。Hwang等在GaAs襯底上制備獲得了容易集成的微小狹縫天線［3］，獲得了寬頻帶。X.L.Guo，Lee，Byunqje 等利用高阻抗介質基底獲得了小的天線尺寸［4-5］。

Spiral天線的幾何結構已經研究了數年［6-8］。其主要特點是螺旋天線具有較好的寬帶，較好的半功率波束寬度(HPBW)和圓極化輻射場(CP)［9］。這些特征對于像無線局域網的GSM，CDMA等無線系統具有吸引力。使用以半導體作為基底共面波導天線為微波器件提供了寬波段、體積小、重量輕、易與載體共形，并且具有良好的阻抗匹配低輻射損耗和易于與MMICs(Microwave Monolithic Integrated Circuits)集成等明顯優勢［10-12］。鑒于此，本文以高阻硅片為襯底，借助于微電子工藝技術，運用微帶輻射機理完成了硅基微尺度Spiral天線設計和制造，為天線的系統集成具有一定的參考價值。

1 天線的設計和制備工藝

1.1 天線設計

天線經過仿真、設計得到其尺寸如圖1，將直線S1進行旋轉90°仿射，然后把線連接起來形成一個形狀相同的大的外圈單元形狀和小的內圈單元，這兩個大小單元具有自相似性。這種天線比單純的螺旋天線能增加天線阻抗［13］，能夠降低諧振頻率。產生位移電流激勵場，并且能夠改變天線的阻抗和分布電流，從而引起天線諧振頻率的改變。

圖1 天線結構及其尺寸示意圖

1.2 天線的制備工藝過程

制備微型天線的基片采用厚525 μm、硅片的介電常數 εr=11.9，高電阻率(ρ＞1 000 Ω·cm)的本征＜111＞拋光硅片及新型材料-多孔硅，基于微電子加工平臺兼有加工精度高和IC集成的優勢。工藝步驟如下:首先檢查表面質量(表面應平整、光亮、無機械損傷)，然后用一號液(27%NH4OH∶30%H2O2∶去離子水 =1 ∶2 ∶5)、二號液(37%HCl∶30%H2O2∶去離子水=1∶2∶8)清洗硅片;然后在氧化溫度1 100℃，氧氣流量500 mL/min，先干氧氧化10 min，又進行濕氧氧化45 min，最后干氧氧化10 min。得到氧化層的厚度為1.1 μm;為了形成天線的金屬貼片，采用真空蒸發淀積鉻金膜，鉻的厚度為500 ?，金的厚度為1 500 ?。繼續進行正膠光刻掩模板，前烘80 ℃、15 min，曝光時間 26 s，NaOH 顯影45 s，堅膜110℃、30 min。光刻完打底膜，再用等離子的方法去掉仍可能存在的薄層膠(氧氣流量30 mL/min，電壓900 V，時間30 s)，使后道工序選擇性電鍍金的粘附性更好;為了保證電路的損耗盡可能小，減少趨膚深度，至少應使膜厚為金屬材料趨膚深度的3～5倍，因為真空蒸發膜的厚度很薄，故采用電鍍的方法加金厚至2.5 μm，電鍍完后，用丙酮剝離正膠;最后采用負膠再次光刻掩模板。先采用Au腐蝕液(KI∶I2∶H2O=20g ∶6g∶100 mL)腐蝕金，時間30 s～45 s。再用鉻腐蝕(K2［Fe(CN6)］∶KOH ∶H2O=30 g∶5 g∶100 g)腐蝕鉻，時間 30 s～60 s。腐蝕好鉻金后去膠，得到硅基天線。該天線采用SMA連接頭饋電，結構參數由Ansoft公司的多層平面電磁場仿真軟件HFSS 9.2進行模擬優化。制備所得硅基天線實物如圖2，然后用SMA接頭與硅基共面波導的進行焊接，背面采用銅接地饋線。

圖2 天線實物圖

2 天線的模擬和實驗結果

天線S11如圖3所示，測試在杭州電子科技大學進行，采用HP公司的Agilent PNAE8363B矢量網絡分析儀(頻率可從50 MHz～50 GHz)測量了天線的S11參數為7.6 GHz和20.2 GHz，反射系數分別為25 dB和23 dB，非常接近模擬的結果，天線在這兩個諧振點都達到了良好的匹配。測試得到的反射系數和模擬的非常吻合，這對于天線模型的建立是非常重要的。由于空氣的相對介電常數只有1，測試和模擬結果不太吻合可能是天線本身的反射及其測試設備的干擾。而在S11幅值方面的差異主要有以下兩個原因:由于工藝加工條件限制金屬層厚度不夠，未完全滿足膜厚趨膚深度的要求，其次由于SMA接頭與硅基共面波導的連接實現比較困難，焊接接頭存在也會造成附加的阻抗失配和接觸損耗。測試得到的多諧振頻點是由分形天線的本身性質決定的。

圖3 測試得天線反射系數

天線的輻射特性在東南大學毫米波國家重點實驗室微波暗室進行測量，圖4給出了以高阻硅為基底材料的天線的E，H面輻射方向圖。從圖中可以看出，天線為全向輻射，天線的增益約為2.8 dB，實測的天線方向圖和仿真的有所差別，這是由于周圍物體的反射、阻抗失配也在一定程度上影響了天線效率的測試值。由于被測天線尺寸遠小于連接的儀器的大小，兩者之間產生電磁耦合也對天線的輻射特性產生影響，并且天線加工時引起其本身結構的少許不對稱性導致電流傳播分布不均勻性也會引起天線輻射方向圖變化。

圖4 測試得到天線輻射方向圖

3 結論

本文采用微電子加工工藝在高電阻率硅片上設計和制備了微小雙波段分形天線，對天線模擬和測試結果比較吻合;測試得到天線為全方向輻射，增益約為2.8 dB，天線的S11為7.6 GHz和20.2 GHz，反射系數分別為25 dB和23 dB，此天線的設計制造有利于天線的集成和與CMOS工藝等的兼容，并且兼有加工精度高和系統集成的優勢。文章還重點對天線的制作工藝進行了詳細地介紹，對于以后此類研究具有一定的參考價值。

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