一種高阻硅基底高頻微帶天線的制作方法
【專利摘要】該發(fā)明屬于天線【技術(shù)領(lǐng)域】中采用高阻硅作基底的微帶天線，包括高阻硅基底及設(shè)于其底部的正四棱錐臺形凹槽，設(shè)于基底上表面的帶簡并單元的輻射貼片及其饋線，接地片。該發(fā)明由于將高阻硅基底背面的空氣槽設(shè)計(jì)成正四棱錐臺形凹槽，因而可采用MEMS濕法刻蝕，自動將四棱錐臺形凹槽的錐面刻蝕成與該材料晶向界面角相同角度的錐形面，且不會產(chǎn)生廢棄物掩蔽層，其刻蝕的速率及凹槽頂面的平整度分別較是【背景技術(shù)】提高20倍及10倍左右。因而具有器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)、生產(chǎn)工藝簡便，生產(chǎn)效率高、成品率高，微波損耗低、輻射效率高，器件性能優(yōu)異，易于集成組成陣列式微帶天線，而且生產(chǎn)成本低并可滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求等特點(diǎn)。
【專利說明】—種高阻硅基底高頻微帶天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微帶天線【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種采用高阻硅作基底、基底背面設(shè)有正四棱錐臺形空氣槽的X波段微帶天線；該天線既具有高效率、高增益、高功率，又易于集成組成陣列式微帶天線，可廣泛用于漁船導(dǎo)航、深空通信、常規(guī)彈藥智能化改造等【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在常規(guī)深空通信、民用漁船導(dǎo)航、彈藥智能化改造、無人機(jī)通信等方面，對設(shè)備的輕型化、即小體積、重量輕、功耗低、數(shù)字技術(shù)等均有較高的要求。從二十世紀(jì)五十年代微帶天線概念的提出，到七十年代實(shí)用微帶天線的研發(fā)制造，至八十年代微帶天線在理論與應(yīng)用上的進(jìn)一步發(fā)展。至今，由于MEMS技術(shù)的發(fā)展，微帶天線憑借其剖面薄、體積小、重量輕、具有平面結(jié)構(gòu)、成本低等優(yōu)點(diǎn)外，還可以與射頻前端集成在一起，提高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；而在航空航天飛行器、移動通訊設(shè)備、手持通訊設(shè)備中都有良好的表現(xiàn)。
[0003]常規(guī)微帶天線的基底一般采用聚四氟乙烯、陶瓷等材料制作，采用這些材料作基底，一是效率低、不能作高功率微帶天線，二是難以小型化，也不便于集成等缺陷；若采用高阻硅作微帶天線的基底，高阻硅微帶天線雖然較之以低介電常數(shù)作基底(如聚四氟乙烯等)的貼片天線具有聞功率，聞度集成，可小型化的優(yōu)勢。但是聞阻娃材料的介電常數(shù)聞，位于高介電常數(shù)基底上的貼片天線由于表面波的損耗大、輻射效率很低，且頻率帶寬極窄，而且當(dāng)頻率變高時(shí)這種情況更加突出，從而導(dǎo)致貼片天線的增益和效率下降，這也就阻礙了高阻硅作為基底材料在微帶天線中的有效應(yīng)用。本 申請人:為了充分利用高阻硅為基底的微帶貼片天線具有的高功率，高集成度，小型化的優(yōu)勢；而克服其表面波的損耗大、輻射效率很低，頻率帶寬極窄等缺陷。在對采用高阻硅為基底的微帶貼片天線進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，于2013年8月4日在日本召開的“機(jī)械工程及自動化國際會議”上，發(fā)表了名稱為“TheInversion law in MEMS Microstrip Array Antenna Manufacturing，，(中文名:以 MEMS為制造基礎(chǔ)的陣列式微帶天線的反演規(guī)律)的論文。該論文公開了一種工作在4.5GHz (C波段)的微帶天線。該微帶天線采用電阻率為20000ohm.cm、介電常數(shù)為11.9的高阻硅作基底，厚度為500 μ m ;為了降低輻射貼片下方介質(zhì)基底的介電常數(shù)，該文針對輻射貼片為正方形，而采用ICP刻蝕技術(shù)將正對輻射貼片下方高阻硅基底的背面刻蝕出一個(gè)深度為250 μ m與輻射貼片形狀匹配的正方形空氣槽，從而使輻射貼片與含空氣槽在內(nèi)的區(qū)域內(nèi)的基底形成“空氣一高阻硅”復(fù)合基底，其介電常數(shù)即為空氣、高阻硅兩者的復(fù)合介電常數(shù)；該技術(shù)由于在正對輻射貼片下的基底內(nèi)增設(shè)了空氣槽，從而使輻射貼片與含空氣槽在內(nèi)的基底的介電常數(shù)由11.9降低為1.84 ;該天線工作在4.5GHz頻段時(shí)的電壓駐波比VSWR=L 26、增益為8.134dB、輻射效率為0.683，并可靈活方便地組成陣列。但是要在高阻硅基底的背面刻蝕出與輻射貼片匹配的正方形空氣槽，只能采用目前較為先進(jìn)的ICP刻蝕方法(即干法刻蝕)。但因高阻硅電阻率太高，設(shè)備的參數(shù)不易控制，一般刻蝕到40μπι以上后由于刻蝕廢棄物堆積成掩蔽層而導(dǎo)致刻蝕很難順利進(jìn)行，且刻蝕完成后空氣槽頂面的平整度也很差；生產(chǎn)實(shí)踐證明采用ICP刻蝕6.20mmX6.20mm平面的高阻硅，當(dāng)刻蝕深度達(dá)100 μ m以上時(shí)，其高度差(不平度)達(dá)10 μ m( ±5 μ m)，經(jīng)電性能測試表明該不平度嚴(yán)重影響了微帶天線的性能；此外ICP刻蝕還存在刻蝕速率(僅3 μ m/min)及生產(chǎn)率低，成品率低、加工成本高，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種高阻硅基底高頻微帶天線，以達(dá)到在有效提高微帶天線增益和輻射效率等電性能的基礎(chǔ)上，簡化加工工藝、提高加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和成品率，以及降低生產(chǎn)成本，充分滿足規(guī)?；a(chǎn)的要求等目的。
[0005]本發(fā)明的解決方案是根據(jù)高阻硅材料的結(jié)構(gòu)(晶向)特點(diǎn)及性能，將正對輻射貼片下方高阻硅基底背面的空氣槽設(shè)計(jì)成正四棱錐臺形凹槽，以適應(yīng)MEMS濕法刻蝕工藝；本發(fā)明利用高阻硅在MEMS濕法刻蝕過程中可順利地刻蝕出其錐面角與相應(yīng)高阻硅晶向界面角一致的四棱錐臺形凹槽，在刻蝕過程中也不會產(chǎn)生廢棄物掩蔽層，因而可大幅度提高生產(chǎn)率、成品率、降低生產(chǎn)成本；同時(shí)通過濕法刻蝕提高空氣槽的頂面的平整度以提高微帶天線的輻射效率等性能；本發(fā)明即以此實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。因而本發(fā)明高阻硅基底高頻微帶天線包括高阻硅基底及設(shè)于基底底部的凹槽，設(shè)于基底上表面的帶簡并單元的輻射貼片及其饋線，接地片，關(guān)鍵在于設(shè)于基底底部的凹槽為正四棱錐臺形凹槽，接地片在正對正四棱錐臺形凹槽的位置處開設(shè)有與正四棱錐臺形凹槽下口部邊長相等的方孔；帶簡并單元的輻射貼片及其饋線緊固于基底的上表面，其中輻射貼片正對正四棱錐臺形凹槽、接地片與高阻硅基底的底面緊固成一體，輻射貼片的中心、正四棱錐臺形凹槽的中心及接地片方孔的中心位于同一軸線上。
[0006]上述正四棱錐臺形凹槽，凹槽各側(cè)面的錐面角(即凹槽各側(cè)面與底面的夾角)為45° — 54.7°，其錐面角的度數(shù)根據(jù)所采用高阻硅基底材料的晶向決定。當(dāng)所述高頻微帶天線為陣列式微帶天線時(shí)，饋線的饋入端與功率分配段一并對各輻射貼片進(jìn)行功率分配。
[0007]本發(fā)明由于將高阻硅基底背面的空氣槽設(shè)計(jì)成正四棱錐臺形凹槽，根據(jù)高阻硅材料的結(jié)構(gòu)(晶向)特點(diǎn)及性能，在采用MEMS濕法刻蝕時(shí)，在刻蝕液的作用下自動將錐臺形凹槽的錐面刻蝕成與該材料晶向界面角相同角度的錐形面，且在刻蝕過程中也不會產(chǎn)生廢棄物掩蔽層，本發(fā)明刻蝕的速率可達(dá)60 μ m/min,是ICP刻蝕速率3 μ m/min的20倍，因而生產(chǎn)效率高；且凹槽的頂面光滑、平整，其不平度僅±0.5μ，較【背景技術(shù)】的±5μπι，本發(fā)明凹槽頂面的平整度提高了 10倍、大大降低了高阻硅基底的微波損耗，電壓駐波比VSWR=L 07、較【背景技術(shù)】下降近0.2。因而，本發(fā)明具有器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)、生產(chǎn)工藝簡便，生產(chǎn)效率高、成品率高，微波損耗低、輻射效率高，器件性能優(yōu)異，易于集成組成陣列式微帶天線，而生產(chǎn)成本低并可滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明及實(shí)施例1微帶天線俯視圖；
[0009]圖2是本發(fā)明及實(shí)施例1微帶天線剖視圖；
[0010]圖3是本發(fā)明實(shí)施例2微帶天線俯視圖；
[0011]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2微帶天線剖視圖；[0012]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2微帶天線的增益方向圖；
[0013]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2微帶天線的回波損耗Sll曲線圖；
[0014]圖7是本發(fā)明實(shí)施例2微帶天線的VSWR圖。
[0015]圖中:1.高阻硅基底，2.正四棱錐臺形凹槽，3.輻射貼片、3-1.簡并離單元，4、
4-1、4-2、4-3:饋線,5.接地片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
[0017]本實(shí)施例以單貼片微帶天線為例:高阻硅基底I相對介電常數(shù)為11.9、電阻率20000 Ω.cm、損耗角正切0.005、晶向?yàn)閇111]，體積(長X寬X厚)
11.2_Χ11.2_Χ300μπι，正四棱錐臺形凹槽2的錐面角為45°、凹槽上頂面(長X寬)
6.426X6.426mm、下口部(長 X 寬)6.726X6.726mm、凹槽深 150 μ m;輻射貼片 3 (長 X 寬)
6.20X6.20mm、其上的簡并離單元3_1長0.9899mm (該長度為在輻射貼片3的右下角和左上角分別截去兩邊長均為0.7mm的等腰三角形所得)，饋線阻抗50 Ω、饋線中:4 (長X寬)
2.5X0.072mm、4-l (長 X 寬)0.290X0.280mm ;接地片 5 (長 X 寬)11.2X 11.2_、在正對正四棱錐臺形凹槽2的位置處開設(shè)一(長X寬)6.726X6.726mm的方孔；輻射貼片3、饋線
4、4-1及接地片5的材質(zhì)均為金、厚度均為0.015mm。
[0018]本實(shí)施例高阻硅基底I中的正四棱錐臺形凹槽2采用KOH溶液濕法刻蝕、刻蝕速率為60μπι/π?η (較采用ICP刻蝕提高了 20倍)、在刻蝕過程中會自然形成45°的錐面角，刻蝕后兩凹槽頂面不平度為±0.5 μ，僅為【背景技術(shù)】ICP刻蝕的十分之一。
[0019]實(shí)施例2
[0020]本發(fā)明以工作頻率為12GHz的二元天線器件為例:高阻硅基底I采用電阻率為20000 Ω.αικ相對介電常數(shù)為11.9、損耗角正切0.005、晶向?yàn)閇100]的高阻硅，基底(長X寬X厚)21.0mmX 15.4mmX 500 μ m、底部正四棱錐臺形凹槽2對稱設(shè)置兩個(gè)上底面為(長X寬)6.426X6.426mm、下底口部(長X寬)6.780X6.780mm、凹槽深250μπι的正四棱錐臺形凹槽；各輻射貼片3 (長X寬)6.20X6.20mm、其上各簡并離單元3-1長0.9899mm (該長度為在兩輻射貼片3的右下角和左上角分別截去兩邊長均為0.7mm的等腰三角形所得)；饋線與各輻射貼片3連接段的阻抗均為50 Ω，其饋線中:4-1 (長X寬)0.290X0.280mm、
4-2 (長X寬)2.5X0.064臟，功率分配段4-3寬均為0.2mm、總長(6.8mmX2) 13.6mm、饋線的饋入端4與其中部連接并與功率分配段4-3配合進(jìn)行功率分配，饋入端4 (長X寬)
2.504X0.524mm ;接地片5 (長X寬)21.0X 15.4mm、對應(yīng)兩正四棱錐臺形凹槽2的位置處各開設(shè)一(長X寬)6.780X6.780mm的方孔；輻射貼片3、饋線4、4-1、4_2、4_3及接地片5的材質(zhì)均為金、厚度均為0.015mm。
[0021]高阻硅基底I中的兩正四棱錐臺形凹槽2采用本實(shí)施例KOH溶液濕法刻蝕、刻蝕速率為60μπι/π?η (較【背景技術(shù)】ICP刻蝕提高了 20倍)、在刻蝕過程中會自然形成54.7°的錐面角，刻蝕后兩凹槽頂面不平度為±0.5μ，僅為【背景技術(shù)】ICP刻蝕的十分之一。
[0022]本實(shí)施例當(dāng)X波段天線的工作頻率為12GHz時(shí)，增益為7.8399dB，輻射效率為
0.941，Sn=-28.91, VSffR=L 07 ;圖5、圖6、圖7即分別為本實(shí)施例仿真實(shí)驗(yàn)所得微帶天線的增益方向圖、回波損耗Sll曲線圖及天線的VSWR圖。
【權(quán)利要求】
1.一種高阻硅基底高頻微帶天線，包括高阻硅基底及設(shè)于基底底部的凹槽，設(shè)于基底上表面的帶簡并單元的輻射貼片及其饋線，接地片，其特征在于設(shè)于基底底部的凹槽為正四棱錐臺形凹槽；帶簡并單元的輻射貼片及其饋線緊貼于基底的上表面，其中輻射貼片正對正四棱錐臺形凹槽、接地片與高阻硅基底的底面緊固成一體，輻射貼片的中心、正四棱錐臺形凹槽的中心及接地片方孔的中心位于同一軸線上。
2.按權(quán)利要求1所述高阻硅基底高頻微帶天線，其特征在于所述正四棱錐臺形凹槽各側(cè)面的錐面角為45° — 54.7°，錐面角的度數(shù)根據(jù)所采用高阻硅基底材料的晶向決定。
3.按權(quán)利要求1所述高阻娃基底高頻微帶天線，其特征在于當(dāng)所述高頻微帶天線為陣列式微帶天線時(shí)，饋線的饋入端與功率分配段一并對各輻射貼片進(jìn)行功率分配。
【文檔編號】H01Q1/38GK103730725SQ201310685012
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】劉曉明, 陳煥暉, 黎業(yè)飛, 郝曉紅, 謝曉梅, 洪泉, 鄧振雷, 朱鐘淦 申請人:電子科技大學(xué)