郭 林,潘 杰

(1.南京郵電大學(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院,南京 210003;2. 鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,鄭州 451191)

一種基于微納米加工技術(shù)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(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院,南京 210003;2. 鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,鄭州 451191)

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

太赫茲(THz)天線;片上螺旋天線;微納米加工技術(shù);微帶線

太赫茲THz(Terahertz)波通常是指頻率在 0.1 THz～10 THz(波長(zhǎng)在30 μm～3 mm)波段的電磁波,它在長(zhǎng)波段與毫米波(亞毫米波)相重合,其發(fā)展主要依靠電子學(xué)科學(xué)技術(shù),而在短波段又與紅外線(遠(yuǎn)紅外)相重合,其發(fā)展主要依靠光子學(xué)科學(xué)技術(shù),所以太赫茲科學(xué)與技術(shù)是宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)研究的交叉領(lǐng)域,對(duì)于電子學(xué)與光子學(xué)研究的相互借鑒和相互融合具有重要的科學(xué)意義和極大的研究?jī)r(jià)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(yōu)越的特性,在相關(guān)研究領(lǐng)域有著非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。在通信領(lǐng)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(shù)的通信系統(tǒng)[5-8]。

圖1 太赫茲頻率范圍內(nèi)的大氣衰減

太赫茲電磁波的光子能量約為可見(jiàn)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(jiàn)光或近中紅外光能量效率高得多。與微波技術(shù)相比,THz波可以探測(cè)更小的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)更精確的定位,具有更高的分辨率和更強(qiáng)的保密性;而與紅外和激光技術(shù)相比,THz波具有穿透沙塵煙霧的能力,可以實(shí)現(xiàn)全天候工作,因而太赫茲通信技術(shù)有望在軍事裝備和國(guó)家安全等方面發(fā)揮巨大作用[9-12]。

本文給出了一種利用微納米加工技術(shù)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(diào)節(jié)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(guān)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(nèi)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(shè)計(jì)

螺旋天線是由導(dǎo)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(duì)其正確饋電而構(gòu)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(shù)有:螺旋線的直徑D,螺旋線的周長(zhǎng)C,螺距S,一圈螺旋線的長(zhǎng)度L,螺旋節(jié)距的升角α,螺旋圈數(shù)n,螺旋線的軸長(zhǎng)H,螺旋導(dǎo)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(dāng)D?λ(D/λ<0.18)時(shí)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(dāng)0.25≤D/λ≤0.4時(shí)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(qū)域的傳播衰減較小,適合應(yīng)用于衛(wèi)星與地面通信等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shè)計(jì)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(diǎn)向外傳播的純行波,僅在接近開(kāi)路端的短距離內(nèi)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(zhuǎn),電場(chǎng)矢量也以同樣的方式旋轉(zhuǎn),因此螺旋天線的軸向輻射場(chǎng)近似為圓極化。軸向模螺旋天線的結(jié)構(gòu)雖然是連續(xù)的,但仍可以當(dāng)作1個(gè)n元的周期結(jié)構(gòu)來(lái)處理。Kraus通過(guò)對(duì)大量螺旋天線進(jìn)行分析和測(cè)量工作,歸納總結(jié)出了工作在軸向模圈數(shù)超過(guò)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(jīng)驗(yàn)公式[13]:

(2)

為了得到天線的最佳尺寸,采用Ansoft HFSS13 對(duì)天線進(jìn)行了仿真計(jì)算。由式(2)估算天線的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),并針對(duì)天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。本文所設(shè)計(jì)的饋電片上螺旋天線工作在1.5 THz頻率,圈數(shù)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(tǒng)的半導(dǎo)體光刻技術(shù)制作片上(On-Chip)螺旋天線時(shí),每加工一層螺旋線圈,至少需要進(jìn)行兩次光刻,不僅加工費(fèi)用昂貴,而且螺旋結(jié)構(gòu)不能一次成型,各層線圈之間很難實(shí)現(xiàn)平滑連接,影響天線性能。聚焦離子束(FIB)技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)光刻工藝的種種不足,制作片上微結(jié)構(gòu)時(shí)不僅無(wú)需昂貴的掩膜,而且可以做到一次成型,研究利用FIB應(yīng)力引入技術(shù)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(xiàn)實(shí)意義。

本文所提出的太赫茲片上螺旋天線結(jié)構(gòu)即是利用KOH濕法腐蝕技術(shù)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(jié)構(gòu),再通過(guò)聚焦離子束對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)對(duì)材料造成損傷,產(chǎn)生輻照損傷層,并在晶界附近引入應(yīng)力,而應(yīng)力釋放則導(dǎo)致懸浮膜結(jié)構(gòu)翹曲形變。通過(guò)控制FIB掃描位置和角度,經(jīng)多次反復(fù)掃描,可由片上懸臂梁結(jié)構(gòu)一次加工成型三維立體螺旋結(jié)構(gòu)。利用FIB技術(shù)一次成型所得到的螺旋線圈具有很好的連續(xù)性和光滑度,其螺旋半徑可以做到微米甚至納米量級(jí),從而使天線工作在太赫茲波頻段。

常規(guī)的機(jī)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(shù)加工懸臂梁繞制而成的,因此適宜采用微帶等平面結(jié)構(gòu)的傳輸線饋電,而且這些平面?zhèn)鬏斁€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(jī)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(shè)計(jì)結(jié)果

本文采用基于有限元分析的計(jì)算電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對(duì)天線進(jìn)行仿真。仿真結(jié)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(nèi)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(nèi)天線的增益高于10 dB,可以看出該天線在該頻段范圍內(nèi)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(nèi)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(duì)于饋源螺旋天線來(lái)說(shuō),可以改善相散問(wèn)題。

圖6 天線在工作頻段的輻射方向圖

4 結(jié)論

本文提出了一種利用微納米加工技術(shù)制造的太赫茲片上螺旋天線。并采用電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS 13對(duì)天線進(jìn)行仿真。天線具有很寬的阻抗帶寬,在1.4 THz～1.6 THz頻段內(nèi)天線回波損耗優(yōu)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(shè)計(jì)THz天線的問(wèn)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(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61404157);南京郵電大學(xué)校級(jí)科研基金項(xiàng)目(NY214189和NY215146);中興通訊產(chǎn)學(xué)研合作基金項(xiàng)目;河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)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