周　楊， 羅　樂(lè)， 徐高衛(wèi)

(中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

?

Ku波段的新型分形小型化天線*

周楊， 羅樂(lè)， 徐高衛(wèi)

(中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

摘要:天線的小型化對(duì)于微波封裝系統(tǒng)集成度的提高，性能的改善，成本的降低有著重要作用。將分形結(jié)構(gòu)引入傳統(tǒng)折疊槽天線，通過(guò)加載自相似的分形結(jié)構(gòu)使天線的面積縮小，進(jìn)一步利用高阻襯底取代了背部鏤空結(jié)構(gòu)使得天線面積縮小為原先鏤空襯底下的22 %，不僅提高了天線的性能，而且增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)可靠性。天線工作在Ku波段,使用ANSYS HFSS進(jìn)行建模和仿真。最后通過(guò)MEMS加工平臺(tái)做出了二階分形結(jié)構(gòu)的樣品，給出了詳細(xì)的工藝流程，并就關(guān)鍵步驟進(jìn)行介紹，最后給出了仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

關(guān)鍵詞：天線； 分形； 高頻結(jié)構(gòu)仿真器； 工藝

0引言

無(wú)線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無(wú)線便攜設(shè)備的大量應(yīng)用與普及，對(duì)系統(tǒng)級(jí)封裝提出了諸如更高密度、更小尺寸、更優(yōu)性能、更低成本等越來(lái)越多的挑戰(zhàn)和要求。天線作為面積最大的無(wú)源器件，其小型化一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，天線的小型化對(duì)于其能否成功集成在微波封裝系統(tǒng)中意義重大。利用分形理論構(gòu)造分形結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)天線小型化的有效方法之一[1～4]，分形理論開(kāi)始于1975年數(shù)學(xué)家Mandelbrot在著作中將不規(guī)則集合定義為分形[5]。分形理論可以看作對(duì)傳統(tǒng)歐幾里得幾何學(xué)的補(bǔ)充，以研究不規(guī)則幾何形態(tài)為主要對(duì)象，也叫作描述大自然的幾何學(xué)。分形思想可以被最簡(jiǎn)要地概括為一種“自相似性”，即組成整體的部分，與整體具有幾何上的相似性。分形的維數(shù)，不僅僅可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)。測(cè)度論的建立，使得定義這些非規(guī)律形態(tài)的維數(shù)成為可能，將傳統(tǒng)的整數(shù)維數(shù)拓展到了分?jǐn)?shù)維數(shù)。利用分形的自相似性，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)天線相結(jié)合，可以使得天線具有更小的尺寸和更優(yōu)的性能，甚至可以設(shè)計(jì)出新穎結(jié)構(gòu)的新天線。本文建模與仿真選用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)，這是一種三維電磁仿真軟件，作為世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，能計(jì)算任意形狀的三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。HFSS擁有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)與仿真功能，是當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最流行的軟件。

1折疊槽天線小型化的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

1.1天線與零階分形原型

在金屬層上通過(guò)開(kāi)槽和縫隙向外輻射電磁波的天線是折疊槽天線，這種天線結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，和矩形微帶天線互為對(duì)偶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制作方便，文獻(xiàn)[6]中實(shí)現(xiàn)了折疊槽天線在硅基上的集成，其給出的集成結(jié)構(gòu)如圖1。中心頻率為15 GHz，該結(jié)構(gòu)在普通硅上即可實(shí)現(xiàn)，背槽的優(yōu)勢(shì)主要在于最大程度排除了襯底損耗對(duì)器件性能的影響，使得天線下方的介質(zhì)厚度等效于無(wú)窮大，介電常數(shù)趨于1。天線的關(guān)鍵尺寸參數(shù)設(shè)置如下：Wa1為180 μm,Wa2為70 μm,Sa為2 mm,La為8 mm。

圖1　具有背槽結(jié)構(gòu)的硅基折疊槽天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Structure diagram of Si-based slot-folded antenna withback-etching cavity structare

1.2分形結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)與仿真

現(xiàn)采用分形結(jié)構(gòu)對(duì)天線進(jìn)行小型化處理。選取在縫隙間內(nèi)接入橢圓和槽隙的結(jié)構(gòu)作為分形元，分形元結(jié)構(gòu)的引入，改變了電流分布情況，新電流路徑沿著縫隙和橢圓邊緣曲折，最終結(jié)果實(shí)際等效于增加電流回流路徑，增強(qiáng)了電感效應(yīng)，從而等效于增加了天線的長(zhǎng)度。圖2為一階分形結(jié)構(gòu)的HFSS模型，圖3是仿真結(jié)果的回波損耗S11參數(shù)和電壓駐波比(VRWR)。

圖2　一階分形折疊槽背槽天線的HFSS模型Fig 2　HFSS model for first-order fractal slot-fold antennawith back-etching cavity

圖3　回波損耗S11與電壓駐波比仿真結(jié)果(一階)Fig 3　Simulation results of retur loss S11 andVSWR(first order)

經(jīng)計(jì)算，天線的阻抗帶寬(電壓駐波比小于2)可達(dá)到12.7 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的微帶貼片天線。此時(shí)的一階分形天線尺寸參數(shù)相比于零階(將折疊槽天線原型視為零階)，尺寸有了明顯減小，特別是La，減小了800 μm。經(jīng)計(jì)算，一階天線的面積比零階減少了14.1 %，至此，已初步實(shí)現(xiàn)小型化與性能優(yōu)化的目標(biāo)。

在一階的基礎(chǔ)上增加一級(jí)分形元，即得到二階分形結(jié)構(gòu)，二階比一階對(duì)于電流路徑改變程度會(huì)更大，其HFSS模型如圖4所示，最終仿真結(jié)果如圖5。經(jīng)計(jì)算，二階分形結(jié)構(gòu)相比于一階分形結(jié)構(gòu)，面積尺寸縮小了約20.5 %，且其關(guān)鍵微波參數(shù)優(yōu)良，電壓駐波比中心頻率處僅為1.1。至此，在HFSS仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了分形模型的建立與小型化。

圖4　二階分形折疊槽背槽天線的HFSS模型Fig 4　HFSS model for second-order fractal structure antenna

圖5　回波損耗S11和電壓駐波比仿真結(jié)果(二階)Fig 5　Simulation results of reyurn loss S11 and VSWR(second order)

2厚氧化層襯底上分形小型天線的實(shí)現(xiàn)

以上天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中，均采用背部鏤空結(jié)構(gòu)，目的是為了最大程度減少襯底損耗對(duì)器件帶來(lái)的影響，但同時(shí)由于鏤空部分的上方只剩下BCB作為支撐，會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)的可靠性。為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的可靠性，可考慮采用厚氧化層結(jié)構(gòu)的高阻表面，首先在硅片上利用深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)腐蝕出深度為30 μm，寬度為2 μm，間距為2 μm左右的坑結(jié)構(gòu)[7]。然后再對(duì)硅片進(jìn)行熱氧化，由于在氧化過(guò)程中，每生成1體積的氧化硅要消耗0.44體積的硅，所以,由硅變成氧化硅的過(guò)程中其體積會(huì)變大，因此，在氧化過(guò)程中，深坑被氧化硅所填充，從而在硅片上形成一層很厚的、完整而連續(xù)的氧化層，如圖6。

圖6　厚氧化層結(jié)構(gòu)制作流程Fig 6　Manufacturing process of thick oxide layer structure

在HFSS中建立厚氧化層為襯底的二階分形天線結(jié)構(gòu)，如圖7，仿真的微波參數(shù)結(jié)果如圖8，由圖可知，使用厚氧化層取代先前鏤空結(jié)構(gòu)同樣取得了良好的微波性能，并且，此時(shí)天線的面積更為縮小。經(jīng)計(jì)算，此二階分形結(jié)構(gòu)天線的面積僅為鏤空襯底下同階分形結(jié)構(gòu)天線面積的約22 %，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了小型化，在保證性能的同時(shí)，這種厚氧化層的高阻結(jié)構(gòu)有助于提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖7　厚氧化層上的天線HFSS模型Fig 7　HFSS model for antenna on thick oxidation layer

圖8　回波損耗S11和電壓駐波比仿真結(jié)果Fig 8　Simulation results of return loss S11 and VSWR

3樣品制備的工藝流程

3.1背槽分形小型天線工藝流程

在MEMS平臺(tái)上進(jìn)行天線樣品的制備,襯底選用普通雙拋硅片。主要的工藝流程如下：

1)熱氧化：在硅片表面生長(zhǎng)約2 μm氧化層；LPCVD生長(zhǎng)2 000×0.1 nm的氮化硅。

2)光刻出背槽圖形，并用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將圖形轉(zhuǎn)移到氧化硅/氮化硅層，使用濃硫酸去膠。

3)KOH濕法腐蝕，最終形成深度約360～370 μm背槽，剩余的約60 μm厚度的硅用于支撐后續(xù)天線圖形化制作。

4)在硅片背面涂覆BCB，選用陶氏化學(xué)提供的商業(yè)化BCB產(chǎn)品CYCLOTENE 4026—46。涂覆完成后，靜置幾分鐘，可用90熱板烘焙約60 s，然后進(jìn)行固化處理。

5)BCB固化處理，使用真空或充滿惰性氣體的回流爐進(jìn)行固化，線性升溫至205 ℃，保溫30～40 min，然后緩慢線性降溫至室溫。

6)金屬濺射，BCB上濺射TiW/Au種子層，厚度500/2 000×0.1 nm，TiW可以增強(qiáng)種子層與襯底之間的粘附性。

7)厚膠光刻、顯影，選用型號(hào)為4 620的厚膠，膠厚約5 μm，制作出天線圖形。

8)電鍍金，約3 μm，并去膠、去種子層。

9)利用深反應(yīng)離子刻蝕刻去背面槽中剩余的硅，此時(shí)有BCB作為支撐，天線懸于背槽上方。

最終制作出二階分形結(jié)構(gòu)的天線如圖9。

圖9　二階分形結(jié)構(gòu)最終樣品圖Fig 9　Final specimen diagram of the second-orderfractal structure

3.2關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)

1)絕緣介質(zhì)層的選擇與工藝：目前較為常用的BCB厚度一般是3～12 μm[8～10]，文獻(xiàn)[11]中詳細(xì)介紹了大厚度光敏BCB的工藝流程，選用的產(chǎn)品是陶氏化學(xué)所提供的CYCLOTENE Xu 35075，該型號(hào)為陶氏化學(xué)的非商業(yè)化產(chǎn)品，不能量產(chǎn)，目前已十分難以購(gòu)買(mǎi)。為了提高材料的普遍性和購(gòu)置材料的便捷性，這里選用的是陶氏化學(xué)提供的另一種商業(yè)化光敏BCB產(chǎn)品CYCLOTENE 4026—46，這是一種小厚度產(chǎn)品，說(shuō)明書(shū)標(biāo)明的涂覆厚度范圍為9～14 μm，然而實(shí)驗(yàn)中天線模型工作頻段較高，需介質(zhì)層的厚度達(dá)到20 μm以上可具有較為優(yōu)良的微波性能[12]。本實(shí)驗(yàn)中，使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的RC8型號(hào)厚膠涂膠機(jī)完成BCB的涂覆工作。通過(guò)適當(dāng)降低額定涂覆轉(zhuǎn)速，來(lái)增加BCB厚度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，最終確定轉(zhuǎn)速為850 r/min，使得經(jīng)固化后的BCB厚度達(dá)到了20 μm以上。新型號(hào)BCB工藝不同于先前大厚度型號(hào)的產(chǎn)品，在原有型號(hào)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索新工藝成為關(guān)鍵。經(jīng)調(diào)研和對(duì)大量陪片進(jìn)行反復(fù)摸索實(shí)驗(yàn)，已成功摸索出此工藝，具體的工藝流程在此不加贅述。

2)微小線寬厚膠顯影：由于分形橢圓結(jié)構(gòu)與槽隙的最窄處僅為5 μm，若顯影時(shí)間不夠，會(huì)導(dǎo)致槽隙未打開(kāi)，若過(guò)顯，則最窄處會(huì)進(jìn)一步拉開(kāi)，從而帶來(lái)很大的工藝誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，如圖10，測(cè)量得縫隙最窄處為4.953 μm，取得了良好的顯影效果。圖11是經(jīng)電鍍并去膠后的橢圓邊緣及槽隙處，可以看到，圖形邊緣非常清晰，電鍍效果也很好。

圖10　顯微鏡下測(cè)量的縫隙最窄處Fig 10　Measured the narrowest slot under microscope

圖11　電鍍、去膠后的橢圓邊緣與槽隙處Fig 11　Edge of ellipse and slot after electroplatingand photoresist removing

3.3厚氧化層襯底天線的制作

該天線制作的關(guān)鍵在于厚氧化層襯底的制作，詳細(xì)工藝流程如下：

1) 襯底選用普通雙拋硅片，熱氧化形成2 μm的氧化層，光刻形成寬度和間距為2 μm的槽結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)的圖形，并通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移至氧化層。

2) 利用MEMS工藝中的深溝槽刻蝕工藝，采用深反應(yīng)離子刻蝕在硅片上刻蝕出高深寬比的深槽結(jié)構(gòu)，如前文中圖6，具體工藝效果圖如圖12。

3) 通過(guò)熱氧化，使得梁結(jié)構(gòu)全部轉(zhuǎn)化為SiO2，其體積膨脹使得溝槽結(jié)構(gòu)得以填充，最終形成完整的厚氧化層襯底。

圖12　厚氧化層襯底工藝效果圖Fig 12　Process effect diagram of thick oxide layer substrate

最終的樣品如圖13，天線的周?chē)峭ㄟ^(guò)電鍍金制備的較大面積的金屬地，今后研發(fā)天線與多芯片封裝樣品，埋置芯片下方與周?chē)疤炀€連在一起形成大面積的金屬地層。

圖13　厚氧化層襯底上天線的最終樣品圖Fig 13　Final specimen diagram of antenna on thickoxide layer substrate

4測(cè)試結(jié)果與分析

使用探針臺(tái)和網(wǎng)分儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖14、圖15所示。由結(jié)果可知，二階分形結(jié)構(gòu)天線實(shí)測(cè)性能的回波參數(shù)和駐波比與仿真結(jié)果能夠較好的吻合，且?guī)?S11<-10 dB)約為2 GHz，高阻襯底的二階分形天線在面積縮小為原來(lái)的22 %的情況下仍能保持原來(lái)良好的性能。最終誤差在容忍度范圍之內(nèi)，仿真與實(shí)測(cè)能很好地互相驗(yàn)證，不影響天線的使用。

為了今后形成一個(gè)更加完整的微波封裝系統(tǒng)，除了MMICs，更需要集成電感器、電阻器、電容器、濾波器、天線、巴倫、信號(hào)處理與數(shù)字電路等，圖16給出了微波埋置雙面集成加片上天線堆疊集成方案圖，天線可作為轉(zhuǎn)接板貼于芯片上，實(shí)現(xiàn)了天線集成于封裝結(jié)構(gòu)中。

圖14　測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比(回波損耗，高阻襯底分形天線)Fig 14　Comparison of simulation and test results(return loss S11,fractal antenna with high resistance substrate)

圖15　測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比(回波損耗與電壓駐波比，背槽結(jié)構(gòu)分形天線)Fig 15　Comparison of simulation and test results(return loss S11 and VSWR,ractal antenna with back cavity)

圖16　微波系統(tǒng)封裝雙面埋置集成+片上天線堆疊Fig 16　Microwave system packaging with two-sided embeddedintegration and stack of antenna in package

5結(jié)論

在折疊槽天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)加載自相似分形元形成的新型結(jié)構(gòu)達(dá)到了天線小型化的目的，不僅縮小了面積，而且改善了性能，增加了帶寬。采用厚氧化層的高阻襯底取代背槽鏤空襯底，保證了性能的同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)可靠性。由于采用平面饋電，不涉及中心饋電的穿硅通孔(TSV)類(lèi)工藝，故總體上樣品制備工藝不復(fù)雜，且與微波系統(tǒng)封裝相關(guān)工藝均兼容，為實(shí)現(xiàn)今后天線集成在封裝中的片上天線的深入研究做了準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn):

[1]Fan J A,Yeo W H,Su Y W,et al.Fractal design concepts for stretchable electronics[J].Nature Communications,2014,5(2):3266-3271.

[2]Puente C,Romeu J,Pous R,et al.Small but long Koch fractal monopole[J].Electronics Letters,1998,34(1):9-10.

[3]Kim D H,Xiao J L,Song J Z,et al.Stret-chable,curvilinear electronics based on inorganic materials[J].Advanced Materials,2010,22(19):2108-2124.

[4]Barliarda C P,Romeu J,Cardama A.The koch monopole:A small fractal antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propa-gation,2000,48(11):1774-1779.

[5]Mandelbrot B B.The fractal geometry of nature[M].New York:Freeman W H,1983:2-12.

[6]王天喜.硅基埋置型微波系統(tǒng)封裝及硅基集成微波天線的研究[D].上海：中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013:88-90.

[7]楊永亮.基于微機(jī)械懸臂梁結(jié)構(gòu)的MEMS探測(cè)器與傳感器[D].上海：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2010:23-25.

[8]Song S S,Kim Y M,Maeng J M,et al.A millimeter-wave system-on-package technology using a thin-film substrate with a flip-chip interconnection[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging,2009,32(1):101-108.

[9]Pieters P,Vaesen K,Brebels S,et al.Accurate modeling of high-Q spiral inductors in thin-film multilayer technology for wireless telecommunication applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(4):589-599.

[10] Carchon G,Vaesen K,Brebels S,et al.Multilayer thin-film MCM-D for the integration of high-performance RF and microwave Circuits[J].IEEE Transactions on Components & Packaging Technologies,2001(24):510-519.

[11] 湯佳杰.硅基埋置型圓片級(jí)系統(tǒng)封裝及其在微波頻段的應(yīng)用[D].上海：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2012：47-55.

[12] 戚龍松.硅埋置型微波多芯片組件封裝研究[D].上海：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2008:44-45.

Novel fractal miniaturized antenna in Ku band*

ZHOU Yang, LUO Le, XU Gao-wei

(Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Abstract:Miniaturization of antenna play an important role in increasing integration of microwave packaging system performance improving, and reducing cost.A novel miniaturized antenna is designed introducing fractal structure into general slot folded antenna,the goal of miniaturization is achieved by loading self-similar fractal structure,furthermore,a kind of high resistance structure processed by etching and oxidation is chosen as substrate,which is better than the substrate with back-etching cavity.The area of antenna based on the high resistance substrate is only 22 % of that based on substrate with back-etching cavity.The antenna works in Ku band.Modeling and simulation is carried out by ANSYS HFSS.Second-order fractal structure specimen is manufactured on the MEMS processing platform, and process is given,and is key step introduced,comparison of simulation result and test result are given.

Key words:antenna; fractal; high frequency structure simulator(HFSS); process

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0025—05

收稿日期：2016—01—05

*基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13ZR1447300)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 385

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)03—0025—05

作者簡(jiǎn)介:

周 楊(1990-)，女，安徽淮南人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣杌商炀€與微波組件。