(75～325)GHz 毫米波量熱計吸收負載研制

陳肇嶺,程春悅,劉宇軒

(北京無線電計量測試研究所,北京 100039)

1 引言

功率是無線電電子學計量的基本參數(shù),也是描述信號的代表性參數(shù)之一,例如在雷達和通信領(lǐng)域,功率測量結(jié)果直接影響了作用距離、靈敏度等關(guān)鍵技戰(zhàn)術(shù)指標的準確評估。同時,很多其他無線電參數(shù)也需要直接或間接地溯源到功率參數(shù),因此,國內(nèi)外主要計量機構(gòu)都把功率標準技術(shù)研究置于非常重要的地位[1]。北京無線電計量測試研究所從2004 年開始系統(tǒng)性地開展了基于雙負載結(jié)構(gòu)的量熱式功率測量標準技術(shù)研究工作。其核心單元即微波直流功率替代器件采用了內(nèi)部嵌入微型表貼電阻的楔形寬帶吸收負載結(jié)構(gòu),已被使用在所研制(18～170)GHz 的功率標準裝置中。

隨著毫米波-太赫茲技術(shù)逐漸被應用于制導、探測、通信等領(lǐng)域,業(yè)界對建立更高頻段的功率計量標準提出了迫切需求。而繼續(xù)采用現(xiàn)有形式的微波直流功率替代器件建立更高頻段的標準主要存在以下兩個問題:

1)加工工藝的制約

隨著頻率提高,波導尺寸相應變小,WR05(140～220)GHz 波導截面尺寸為(1.27×0.635)mm。此時,將微型電阻嵌入到吸收負載內(nèi),以及制作吸收特性和熱學特性一致負載的操作流程會變得十分復雜。微波直流替代效率評估也將變得更加困難。

2)測量時間的制約

隨著頻率的升高,信號源穩(wěn)定性變差,因此需要盡量縮短測量時間。傳統(tǒng)的羰基鐵粉結(jié)合環(huán)氧樹脂制成的材料導熱系數(shù)較差,通常在(1～2)/(m·K)之間,這會延長量熱計的平衡穩(wěn)定時間。

為滿足業(yè)界對毫米波太赫茲頻段功率計量標準的需求,可選擇以毫米波量熱式功率敏感器關(guān)鍵技術(shù)突破為目標,開展基于多層體硅摻雜結(jié)構(gòu)的吸收負載和與之配合的自平衡反饋電路兩項關(guān)鍵技術(shù)研究,進而為后續(xù)新型功率標準的研制和建立奠定技術(shù)基礎。

2 負載結(jié)構(gòu)及設計研制

2.1 負載結(jié)構(gòu)形式選擇

傳統(tǒng)吸收負載結(jié)構(gòu)采用添加羰基鐵粉的環(huán)氧樹脂材料。但在大約70 GHz 以上頻段,材料的復磁導率接近1 +j0,體現(xiàn)出無磁性特征,只能依靠介電損耗吸收入射功率。在100 GHz 以上頻段,傳統(tǒng)吸波材料相比于純介電損耗材料而言并無優(yōu)勢可言,因此需要考慮使用其他材料的負載結(jié)構(gòu)形式。而體摻雜半導體由于具備有限電導率,通過形狀匹配以及控制摻雜濃度同樣可以實現(xiàn)對電磁波的良好吸收。比較了不同方案吸波負載的優(yōu)點缺點,如表1 所示。

表1 負載吸收體優(yōu)缺點比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of load absorbers

波導負載由矩形開口波導和負載兩部分組成。把硅片搭載于一端削尖的矩形波導上,幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。波導前端削尖再搭置負載,負載完全搭載于波導外側(cè),方便負載上放置溫度傳感器和直流加熱器。純單晶硅本身的體電導率很差,可以通過摻雜手段改善體電導率,以實現(xiàn)對電磁波的衰減[2]。

圖1 波導負載示意圖Fig.1 Diagram of waveguide load

2.2 吸收負載反射系數(shù)仿真

相關(guān)文獻[3-5]顯示,多層漸變體電導率材料結(jié)構(gòu)有改善材料整體電壓駐波比(VSWR)的潛力[6],通過電磁仿真可驗證這一結(jié)論。

在限定負載總厚度,波導管長度和斜劈角度的前提下,對多個頻段下一層、二層、三層負載結(jié)構(gòu)進行了仿真。

在總厚度0.6 mm,波導管長度為15 mm,斜劈角度為8°的條件下,得到各頻段下單層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化仿真?？梢园l(fā)現(xiàn),對于每個頻段下單層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化仿真,總能找到對應的雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu),使得其性能優(yōu)于單層結(jié)構(gòu),仿真參數(shù)設置和仿真結(jié)果分別如表2 和圖2 所示。

圖2 單層/雙層/三層結(jié)構(gòu)仿真駐波對比圖Fig.2 VSWR simulation comparison of single-layer/double-layer/three-layer structure

表2 仿真參數(shù)設置Tab.2 Simulation parameter settings

仿真的基本思路為:

1)找到某頻段內(nèi)單層負載的最優(yōu)結(jié)果。

2)找到一組雙層負載結(jié)構(gòu),使雙層負載結(jié)構(gòu)的第一層體電導率與單層負載相同,且電壓駐波比表現(xiàn)更好,這樣便能說明雙層負載結(jié)構(gòu)電壓駐波比表現(xiàn)優(yōu)于單層。

3)找到一組三層負載結(jié)構(gòu),使三層負載結(jié)構(gòu)的第一層體電導率、厚度與雙層負載結(jié)構(gòu)相同,第二層體電導率與雙層負載相同,且電壓駐波比表現(xiàn)更好,這樣便能說明三層負載結(jié)構(gòu)駐波表現(xiàn)優(yōu)于雙層。

可以得出以下結(jié)論:

1)在目前給定的總厚度下,雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)相比單層結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)更優(yōu)的電壓駐波比;

2)在目前給定的總厚度下,雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果區(qū)別不大,說明即便繼續(xù)增加層數(shù)到4 層及以上,也很難使得性能進一步提高。若要進一步驗證三層結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,可能需要將總厚度提升到0.6 mm 以上。

在當前厚度下,考慮到三層結(jié)構(gòu)負載的電壓駐波比表現(xiàn)相比雙層結(jié)構(gòu)改善程度有限,而且三層結(jié)構(gòu)負載制備更加復雜,故選定雙層結(jié)構(gòu)為仿真優(yōu)化目標。

經(jīng)過仿真優(yōu)化設計,最終篩選得到的各頻段下最優(yōu)曲線如圖3 所示。

圖3 各頻段最佳優(yōu)化曲線圖Fig.3 Optimal optimization curves for each band

這些優(yōu)化曲線對應的結(jié)果為制定硅晶圓鍵合方案奠定了基礎。

2.3 吸收負載加工裝配

硅晶圓是半導體工業(yè)的基本材料,晶圓鍵合技術(shù)可以將兩種或多種材料(結(jié)構(gòu))結(jié)合成一體,實現(xiàn)材料和器件的高密度集成[7,8]。鍵合并切割后的硅晶圓如圖4 所示,圖4 從左至右依次是用于制作(75～110)GHz,(140～220)GHz 和(220～325)GHz吸收負載的雙層鍵合硅片。

圖4 鍵合硅片實物圖Fig.4 Picture of bonding silicon wafers

隨后將經(jīng)光刻工藝加工后的鍵合硅片通過黏合劑粘到斜劈波導上,制作成波導負載,如圖5 所示,黏合劑選擇AB 結(jié)構(gòu)膠,主要成分為環(huán)氧樹脂。

圖5 波導負載實物圖Fig.5 Picture of waveguide load

3 負載駐波測試

實測了所研制的毫米波量熱式功率敏感器波導負載在(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 頻段的電壓駐波比,并與某公司的商用功率敏感器進行比較,結(jié)果如圖6 所示。

圖6 (75～325)GHz 電壓駐波比測試結(jié)果圖Fig.6 Results of VSWR measurement from (75～325)GHz

圖6(a)對比了(75～110)GHz 下的電壓駐波比測量結(jié)果,雙層鍵合負載的駐波比范圍在1.003 8～1.118 之間,平均值約為1.087,對應的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.001 9～0.056 和0.08;圖6(b)對比了(140～220)GHz 下的電壓駐波比測量結(jié)果,雙層鍵合負載的駐波比范圍在1.004～1.064 之間,平均值約為1.031,對應的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.002～0.031 和0.015;圖6(c)對比了(220～325)GHz 下的電壓駐波比測量結(jié)果,雙層鍵合負載的駐波比范圍在1.013～1.096 之間,平均值約為1.047,對應的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.006 5～0.046 和0.023。

4 結(jié)束語

圍繞(75～325)GHz 直波導形式功率敏感器波導負載研制展開工作,采用薄壁不銹鋼鍍金結(jié)構(gòu)波導,并基于硅片鍵合工藝研制出(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 共3 個頻段的寬頻帶吸收負載。經(jīng)實測,電壓駐波比分別為1.0038～1.118,1.004～1.064,1.013～1.096,達到先進水平。