一種基于微納米加工技術的新型太赫茲片上螺旋天線*

郭 林,潘 杰

(1.南京郵電大學現代郵政學院,南京 210003;2. 鄭州升達經貿管理學院,鄭州 451191)

一種基于微納米加工技術的新型太赫茲片上螺旋天線*

郭 林1*,潘 杰2

(1.南京郵電大學現代郵政學院,南京 210003;2. 鄭州升達經貿管理學院,鄭州 451191)

給出了一種基于微納米加工技術的3D片上天線結構,天線工作頻率為1.5 THz。該天線結構包含圓柱形金屬螺旋和襯底上的微帶饋線2個部分。所提出的天線結構可以在單片晶圓上利用微納米加工技術實現,且方便與系統其他部分的電路集成于同一芯片內部。天線在1.4 THz～1.6 THz頻段內具有很高的增益(11 dBi)和很寬的工作帶寬(200 GHz),非常適合應用于太赫茲通信系統。

太赫茲(THz)天線;片上螺旋天線;微納米加工技術;微帶線

太赫茲THz(Terahertz)波通常是指頻率在 0.1 THz～10 THz(波長在30 μm～3 mm)波段的電磁波,它在長波段與毫米波(亞毫米波)相重合,其發展主要依靠電子學科學技術,而在短波段又與紅外線(遠紅外)相重合,其發展主要依靠光子學科學技術,所以太赫茲科學與技術是宏觀電子學與微觀光子學研究的交叉領域,對于電子學與光子學研究的相互借鑒和相互融合具有重要的科學意義和極大的研究價值[1-4]。

太赫茲波段在電磁波譜中所處的特殊位置使它有很多優越的特性,在相關研究領域有著非常重要的學術和應用價值。在通信領域,由于THz頻段存在著如圖1所示的大氣透射窗口,因此0.3 THz以上的載波頻率能夠用于采用高比特率傳輸技術的通信系統[5-8]。

圖1 太赫茲頻率范圍內的大氣衰減

太赫茲電磁波的光子能量約為可見光的光子能量的四十分之一,因而利用THz波做信息載體要比用可見光或近中紅外光能量效率高得多。與微波技術相比,THz波可以探測更小的目標和實現更精確的定位,具有更高的分辨率和更強的保密性;而與紅外和激光技術相比,THz波具有穿透沙塵煙霧的能力,可以實現全天候工作,因而太赫茲通信技術有望在軍事裝備和國家安全等方面發揮巨大作用[9-12]。

本文給出了一種利用微納米加工技術制造的太赫茲片上圓柱形螺旋天線[13]。選擇合適的螺旋尺寸能夠方便地調節天線的中心頻率和帶寬。利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS13探討螺旋尺寸和天線性能之間的關系。本文中提出的螺旋天線在短波段太赫茲電磁波的大氣透射窗口1.4 THz～1.6 THz工作頻段內的回波損耗小于-20 dB,增益大于10 dB,表明該天線具有良好的工作特性。

1 天線設計

螺旋天線是由導電性能良好的金屬線、金屬帶或金屬管繞制成螺旋形狀,并對其正確饋電而構成的,其幾何形狀如圖2所示。

圖2 圓柱螺旋天線

螺旋天線的主要幾何參數有:螺旋線的直徑D,螺旋線的周長C,螺距S,一圈螺旋線的長度L,螺旋節距的升角α,螺旋圈數n,螺旋線的軸長H,螺旋導線的直徑d。其中:

C=πD
L2=C2+S2
S=Ctanα
H=nS

(1)

螺旋天線可以分為法向模和軸向模2種工作模式。當D?λ(D/λ<0.18)時天線工作在法向模,其最大輻射方向垂直于螺旋線的軸線;當0.25≤D/λ≤0.4時為軸向模式,其最大輻射沿螺旋的軸線方向。由于太赫茲波具有良好的定向性,且在大氣透射窗口區域的傳播衰減較小,適合應用于衛星與地面通信等點對點通信方式,因此要求太赫茲天線具有較好的定向性。本文所設計的太赫茲片上螺旋天線工作在軸向模。

軸向模螺旋天線上的電流幾乎是由饋電點向外傳播的純行波,僅在接近開路端的短距離內電流呈駐波,末端反射很小。輸入電流沿著螺旋線不斷地旋轉,電場矢量也以同樣的方式旋轉,因此螺旋天線的軸向輻射場近似為圓極化。軸向模螺旋天線的結構雖然是連續的,但仍可以當作1個n元的周期結構來處理。Kraus通過對大量螺旋天線進行分析和測量工作,歸納總結出了工作在軸向模圈數超過3圈的螺旋天線的增益或波束寬度與螺旋線幾何尺寸之間的經驗公式[13]:

(2)

為了得到天線的最佳尺寸,采用Ansoft HFSS13 對天線進行了仿真計算。由式(2)估算天線的初始結構參數,并針對天線的結構進行優化計算。本文所設計的饋電片上螺旋天線工作在1.5 THz頻率,圈數n=15,線圈直徑D=52 μm,螺距S=35 μm,條形金屬薄膜的寬度w=7.6 μm,厚度t=0.9 μm,硅襯底厚度h=16 μm。

2 天線加工

利用傳統的半導體光刻技術制作片上(On-Chip)螺旋天線時,每加工一層螺旋線圈,至少需要進行兩次光刻,不僅加工費用昂貴,而且螺旋結構不能一次成型,各層線圈之間很難實現平滑連接,影響天線性能。聚焦離子束(FIB)技術能夠克服傳統光刻工藝的種種不足,制作片上微結構時不僅無需昂貴的掩膜,而且可以做到一次成型,研究利用FIB應力引入技術的三維微/納米尺度加工工藝制作THz片上螺旋天線具有重要的現實意義。

本文所提出的太赫茲片上螺旋天線結構即是利用KOH濕法腐蝕技術去除金屬線下方的硅襯底,在硅片表面形成懸空的條形金屬薄膜懸臂梁結構,再通過聚焦離子束對薄膜結構進行轟擊,注入的鎵(Ga)離子將在薄膜表面幾十納米深度范圍內對材料造成損傷,產生輻照損傷層,并在晶界附近引入應力,而應力釋放則導致懸浮膜結構翹曲形變。通過控制FIB掃描位置和角度,經多次反復掃描,可由片上懸臂梁結構一次加工成型三維立體螺旋結構。利用FIB技術一次成型所得到的螺旋線圈具有很好的連續性和光滑度,其螺旋半徑可以做到微米甚至納米量級,從而使天線工作在太赫茲波頻段。

常規的機械螺旋天線通常采用同軸線饋電,但是THz片上螺旋天線是利用FIB技術加工懸臂梁繞制而成的,因此適宜采用微帶等平面結構的傳輸線饋電,而且這些平面傳輸線本身就具有較大尺寸的接地平面,這樣就免去了為同軸饋電的機械螺旋天線制作杯狀反射平面的步驟,圖3給出了微帶線饋電的片上螺旋天線仿真模型。

圖3 片上螺旋天線仿真模型

3 天線設計結果

本文采用基于有限元分析的計算電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對天線進行仿真。仿真結果如圖4～圖6所示。

從圖4可以看出,天線的回波損耗在1.4 THz～1.6 THz頻段內小于-20 dB,表明天線在太赫茲波段具有良好的頻率特性。

圖4 天線的回波損耗

圖5 天線的增益

如圖5所示,在1.4 THz～1.6 THz頻段內天線的增益高于10 dB,可以看出該天線在該頻段范圍內具有很好的增益特性,而且平坦度較好,增益的變化范圍為10 dB～12 dB。

天線在1.4 THz、1.5 THz和1.6 THz的E面與H面的方向圖如圖6所示。由圖中不難看出,天線在工作頻段內定向性比較好。而且XOZ平面和YOZ平面3 dB的波瓣寬度相差不大,這樣對于饋源螺旋天線來說,可以改善相散問題。

圖6 天線在工作頻段的輻射方向圖

4 結論

本文提出了一種利用微納米加工技術制造的太赫茲片上螺旋天線。并采用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS 13對天線進行仿真。天線具有很寬的阻抗帶寬,在1.4 THz～1.6 THz頻段內天線回波損耗優于-20 dB,平均增益約為11 dB,具有良好的頻率特性和定向輻射性能。為設計THz天線的問題提供了新的思路。

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A Novel On-Chip Terahertz Helical Antenna Based on Micro/Nano Fabrication Technology*

GUOLin1*,PANJie2*

(1.School of Modern Posts,College of Internet of Things,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Shengda Economics Trade and Management College of Zhengzhou,Zhengzhou 451191,China)

In this work,a novel design for a fully on-chip 3D antenna operating at 1.5 THz that can be manufactured by micro/nano fabrication technology is presented. The structure of the antenna includes two parts,the metallic helix and the micro-strip on the substrate for feed. The proposed antenna structure is well suitable realized by micro/nano fabrication technology,the fabrication of the structure needs only one wafer,and the antenna can be easily integrated with other parts of on-chip circuits. The antenna is characterized by high gain(11 dBi)and wide bandwidth(200 GHz)in the 1.4 THz～1.6 THz frequency range,suitable for Terahertz communication systems.

terahertz(THz)antenna;on-chip helical antenna;micro/nano fabrication technology;micro-strip

項目來源:國家自然科學基金項目(61404157);南京郵電大學校級科研基金項目(NY214189和NY215146);中興通訊產學研合作基金項目;河南省科技攻關計劃項目(162102210332)

2016-03-01 修改日期:2016-03-28

C:5270

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.003

TN823

A

1005-9490(2017)02-0276-04