基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，涉及波导天线技术领域。所述天线阵列包括从上到下依次固定连接在一起的天线层、窗口层和耦合能量层，所述天线层、窗口层和耦合能量层采用硅基介质基板制作，所述天线层的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形刻蚀区，所述天线层、窗口层和耦合能量层除侧面外设有金属层。所述天线阵列基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，在三层硅基介质基板上，利用两端短路的双导体TEM波传输线结合周期性的磁流抑制枝节的方式，得到了在宽频带内方向图稳定的高增益天线阵。

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列
本技术涉及波导天线
，尤其涉及一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列。
技术介绍
随着人们对高速率、高质量的无线通信服务的追求，目前无线传输技术中Mbps级的传输速率已经不能满足当前无线通信的需求，另外现有无线频谱资源也越来越拥挤，督促从业人员开发更高频率的通信频段。免执照的60GHz毫米波频段凭借其丰富的频宽资源和Gbps级的传输速率，以及频率复用、抗干扰性强和易于小型化等诸多优势，越来越受到人们的广泛关注。通信频率升高到毫米波段带来的问题是元器件对于加工精度的要求的提高，传统的印制电路板加工工艺难以满足所需精度，因此高精度的加工工艺成为毫米波通信的挑战。目前已经有一些工艺可以满足毫米波元器件所需精度，比如微机电系统（MEMS）加工工艺，低温共烧陶瓷工艺（LTCC），SU-8光刻胶工艺，扩散焊接工艺和介质集成波导（SIW）工艺等。MEMS是指能够将微传感器、微电机、微功率源、信号处理控制电路和其他微小元器件集成于单个芯片的系统，MEMS元器件的尺寸通常为毫米或微米级别，因此微加工工艺是制造MEMS设备和元器件的基础技术。微加工工艺中最成熟的技术是源于集成电路加工工艺的硅微加工工艺，它是指在微米级别的精度上精加工硅基介质基板，加工工艺包括蚀刻，扩散，光刻，离子注入，外延和汽相淀积等。硅微加工工艺又分为体微加工和表面微加工工艺。体微加工工艺是指利用蚀刻工艺选择性移除单晶硅片上的某一部分，选择性蚀刻可以提升天线性能，体微加工工艺最早在1989年用来生产毫米波天线，利用体微加工工艺生产的微结构精度可以达到微米级并且可以加工具有高深宽比的复杂三维结构，现今大多数MEMS设备和元器件都是利用硅的体微加工工艺生产制造的。表面微加工工艺是在硅片的表面通过沉积牺牲层和结构层，然后蚀刻掉牺牲层得到所需的微结构，该工艺流程十分复杂并且生产得到的最终结构一般为平面结构。LIGA工艺也是MEMS微加工工艺的一种，基于X射线光刻技术，该工艺流程包括X光深度同步辐射光刻，电铸成型和塑料铸膜，利用LIGA生产得到的微结构深宽比可达200以上并且可以制作任意复杂的图形结构；但是X射线光刻需要同步辐射光源，成本很高，而且难于与IC集成制作。LTCC是现今多层结构实现集成的主流技术，LTCC技术是在由低温烧结的陶瓷粉制成生瓷带上制成所需的电路图形，然后叠压并在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路；但是LTCC有很多不足：共烧时基板与浆料的烧结特性不匹配会导致烧成后的基板表面不平整，层数多和功率密度高使得散热成为难题，另外利用LTCC工艺制作的天线精度受限，这些都限制了LTCC工艺在毫米波天线中的应用。SU-8光刻胶工艺是利用SU-8胶在近紫外光范围内的低吸收率来制作具有高深宽比的微结构，深宽比可达50:1并且侧壁几乎垂直，但是SU-8光刻胶技术不能保证横向尺寸的精度。扩散焊接工艺是利用原子扩散的原理在两层金属间形成可靠连接的过程，但是该工艺对相互结合的两个表面的表面光洁度和平整度要求严苛，扩散所需时间长，设备一次性投资较大，成本高，无法进行连续式批量生产。SIW是平面形式的矩形金属波导，它常用来制作毫米波槽阵列和贴片阵列，但是在毫米波段介质损耗大并且SIW所需的大量金属过孔使得生产复杂。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，所述天线阵列基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，在三层硅基介质基板上，利用两端短路的双导体TEM波传输线结合周期性的磁流抑制枝节的方式，得到了在宽频带内方向图稳定的高增益天线阵。为解决上述技术问题，本技术所采取的技术方案是：一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次固定连接在一起的天线层、窗口层和耦合能量层，所述天线层、窗口层和耦合能量层采用硅基介质基板制作，所述天线层的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形蚀刻区，所述窗口层的上表面设有矩形窗口，在X轴方向上，所述天线层上最左侧的矩形蚀刻区的左边缘与所述矩形窗口的左边缘对齐，所述天线层上最右侧的矩形蚀刻区的右边缘与所述矩形窗口的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区的上边缘与所述矩形窗口的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区的下边缘与所述矩形窗口的下边缘对齐，所述天线层、窗口层和耦合能量层除侧面外设有金属层。进一步的技术方案在于：所述耦合能量层的上表面设有用于耦合能量和调节匹配的耦合槽。进一步的技术方案在于：所述矩形窗口的中心与所述耦合槽的中心对齐。进一步的技术方案在于：行与行矩形蚀刻区之间的天线层构成上导体，每行内的矩形蚀刻区之间的天线层构成磁流抑制枝节，磁流抑制枝节位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置。进一步的技术方案在于：所述矩形蚀刻区设有两行，每行内间隔设有两个矩形蚀刻区。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1）首次提出了TEM波天线阵列的概念，该天线具有带宽宽和在频带内方向图稳定的优良性能；2）所述TEM波天线阵列可沿某单一方向扩展，生成高增益扇形波束；3）基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，该天线阵列由空气腔和金属壁构成，电磁波在传播过程中只经过空气介质，不经过其他任何介质，与同类型的其他天线相比，具有宽带宽和高增益的优点。附图说明图1是双导体TEM波传输线的结构示意图；图2是图1的分解结构示意图；图3是TEM波天线阵列的结构示意图；图4是图3的分解结构示意图；图5是本技术所述天线阵列的一种分解结构示意图；图6是图5中天线层的俯视结构示意图；图7是图5中天线层的剖视结构示意图；图8是图5中窗口层的俯视结构示意图；图9是图5中窗口层的剖视结构示意图；图10是图5中耦合能量层的俯视结构示意图；图11是图5中耦合能量层的剖视结构示意图；图12是图5所示天线阵列的反射系数图；图13是图5所示天线阵列的边射方向增益曲线图；图14是图5所示天线阵列在均匀分布于频带内的四个频点：50、55、60、65GHz处的归一化E面（YZ面）的远场方向图；图15是图5所示天线阵列在均匀分布于频带内的四个频点：50、55、60、65GHz处的归一化H面（XZ面）的远场方向图；其中：1、天线层2、窗口层3、耦合能量层4、矩形蚀刻区5、矩形窗口6、耦合槽7、上导体8、磁流抑制枝节。具体实施方式下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是本技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。原理：图1是双导体TEM波传输线的结构示意图，图2是图1的分解结构示意图，所述双导体TEM波传输线由三层硅基结构：顶部层，中间层和底部层构成；顶部层由三部分构成，其中7为双导体TEM波传输线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次固定连接在一起的天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3），所述天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）采用硅基介质基板制作，所述天线层（1）的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形蚀刻区（4），所述窗口层（2）的上表面设有矩形窗口（5），在X轴方向上，所述天线层（1）上最左侧的矩形蚀刻区（4）的左边缘与所述矩形窗口（5）的左边缘对齐，所述天线层（1）上最右侧的矩形蚀刻区（4）的右边缘与所述矩形窗口（5）的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区（4）的上边缘与所述矩形窗口（5）的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区（4）的下边缘与所述矩形窗口（5）的下边缘对齐，所述天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）除侧面外设有金属层。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次固定连接在一起的天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3），所述天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）采用硅基介质基板制作，所述天线层（1）的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形蚀刻区（4），所述窗口层（2）的上表面设有矩形窗口（5），在X轴方向上，所述天线层（1）上最左侧的矩形蚀刻区（4）的左边缘与所述矩形窗口（5）的左边缘对齐，所述天线层（1）上最右侧的矩形蚀刻区（4）的右边缘与所述矩形窗口（5）的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区（4）的上边缘与所述矩形窗口（5）的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区（4）的下边缘与所述矩形窗口（5）的下边缘对齐，所述天线层（1）、窗口层（2）和耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：常乐，张志军，王绍东，高艳红，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，清华大学，
类型：新型
国别省市：河北,13