无线通讯用硅基微小Spiral天线的设计和制作*

郭兴龙，黄 静

(南通大学电子信息学院，江苏南通 226019)

无人驾驶飞机、卫星等飞行器的雷达和通讯系统需要许多天线系统。而且飞行器对承载物有着严格的重量和尺寸限制。并且随着微型无人机、微纳卫星的出现，机载或星载电子系统的尺寸越来越小，要求天线尺寸小、重量轻。此外，当工作波段进入毫米波和亚毫米波以后，天线结构尺寸变得极其细小，常规的精密机械加工技术已经不太适用，为了与微电子技术相兼容，要求在硅或砷化镓等半导体基体上制备天线。这不仅有利于与系统集成，这些基体也具有良好的机械特性的基材［1］，并且移动通讯中无线收发芯片尺寸的缩小也迫切需要新型微型天线，例如，Ericsson(爱立信)公司的单芯片蓝牙组件［2］，其尺寸仅为9 mm×9 mm。以往以 PCB作为天线基底材料大大限制了频带宽度。Hwang等在GaAs衬底上制备获得了容易集成的微小狭缝天线［3］，获得了宽频带。X.L.Guo，Lee，Byunqje 等利用高阻抗介质基底获得了小的天线尺寸［4-5］。

Spiral天线的几何结构已经研究了数年［6-8］。其主要特点是螺旋天线具有较好的宽带，较好的半功率波束宽度(HPBW)和圆极化辐射场(CP)［9］。这些特征对于像无线局域网的GSM，CDMA等无线系统具有吸引力。使用以半导体作为基底共面波导天线为微波器件提供了宽波段、体积小、重量轻、易与载体共形，并且具有良好的阻抗匹配低辐射损耗和易于与MMICs(Microwave Monolithic Integrated Circuits)集成等明显优势［10-12］。鉴于此，本文以高阻硅片为衬底，借助于微电子工艺技术，运用微带辐射机理完成了硅基微尺度Spiral天线设计和制造，为天线的系统集成具有一定的参考价值。

1 天线的设计和制备工艺

1.1 天线设计

天线经过仿真、设计得到其尺寸如图1，将直线S1进行旋转90°仿射，然后把线连接起来形成一个形状相同的大的外圈单元形状和小的内圈单元，这两个大小单元具有自相似性。这种天线比单纯的螺旋天线能增加天线阻抗［13］，能够降低谐振频率。产生位移电流激励场，并且能够改变天线的阻抗和分布电流，从而引起天线谐振频率的改变。

图1 天线结构及其尺寸示意图

1.2 天线的制备工艺过程

制备微型天线的基片采用厚525 μm、硅片的介电常数 εr=11.9，高电阻率(ρ＞1 000 Ω·cm)的本征＜111＞抛光硅片及新型材料-多孔硅，基于微电子加工平台兼有加工精度高和IC集成的优势。工艺步骤如下:首先检查表面质量(表面应平整、光亮、无机械损伤)，然后用一号液(27%NH4OH∶30%H2O2∶去离子水 =1 ∶2 ∶5)、二号液(37%HCl∶30%H2O2∶去离子水=1∶2∶8)清洗硅片;然后在氧化温度1 100℃，氧气流量500 mL/min，先干氧氧化10 min，又进行湿氧氧化45 min，最后干氧氧化10 min。得到氧化层的厚度为1.1 μm;为了形成天线的金属贴片，采用真空蒸发淀积铬金膜，铬的厚度为500 Å，金的厚度为1 500 Å。继续进行正胶光刻掩模板，前烘80 ℃、15 min，曝光时间 26 s，NaOH 显影45 s，坚膜110℃、30 min。光刻完打底膜，再用等离子的方法去掉仍可能存在的薄层胶(氧气流量30 mL/min，电压900 V，时间30 s)，使后道工序选择性电镀金的粘附性更好;为了保证电路的损耗尽可能小，减少趋肤深度，至少应使膜厚为金属材料趋肤深度的3～5倍，因为真空蒸发膜的厚度很薄，故采用电镀的方法加金厚至2.5 μm，电镀完后，用丙酮剥离正胶;最后采用负胶再次光刻掩模板。先采用Au腐蚀液(KI∶I2∶H2O=20g ∶6g∶100 mL)腐蚀金，时间30 s～45 s。再用铬腐蚀(K2［Fe(CN6)］∶KOH ∶H2O=30 g∶5 g∶100 g)腐蚀铬，时间 30 s～60 s。腐蚀好铬金后去胶，得到硅基天线。该天线采用SMA连接头馈电，结构参数由Ansoft公司的多层平面电磁场仿真软件HFSS 9.2进行模拟优化。制备所得硅基天线实物如图2，然后用SMA接头与硅基共面波导的进行焊接，背面采用铜接地馈线。

图2 天线实物图

2 天线的模拟和实验结果

天线S11如图3所示，测试在杭州电子科技大学进行，采用HP公司的Agilent PNAE8363B矢量网络分析仪(频率可从50 MHz～50 GHz)测量了天线的S11参数为7.6 GHz和20.2 GHz，反射系数分别为25 dB和23 dB，非常接近模拟的结果，天线在这两个谐振点都达到了良好的匹配。测试得到的反射系数和模拟的非常吻合，这对于天线模型的建立是非常重要的。由于空气的相对介电常数只有1，测试和模拟结果不太吻合可能是天线本身的反射及其测试设备的干扰。而在S11幅值方面的差异主要有以下两个原因:由于工艺加工条件限制金属层厚度不够，未完全满足膜厚趋肤深度的要求，其次由于SMA接头与硅基共面波导的连接实现比较困难，焊接接头存在也会造成附加的阻抗失配和接触损耗。测试得到的多谐振频点是由分形天线的本身性质决定的。

图3 测试得天线反射系数

天线的辐射特性在东南大学毫米波国家重点实验室微波暗室进行测量，图4给出了以高阻硅为基底材料的天线的E，H面辐射方向图。从图中可以看出，天线为全向辐射，天线的增益约为2.8 dB，实测的天线方向图和仿真的有所差别，这是由于周围物体的反射、阻抗失配也在一定程度上影响了天线效率的测试值。由于被测天线尺寸远小于连接的仪器的大小，两者之间产生电磁耦合也对天线的辐射特性产生影响，并且天线加工时引起其本身结构的少许不对称性导致电流传播分布不均匀性也会引起天线辐射方向图变化。

图4 测试得到天线辐射方向图

3 结论

本文采用微电子加工工艺在高电阻率硅片上设计和制备了微小双波段分形天线，对天线模拟和测试结果比较吻合;测试得到天线为全方向辐射，增益约为2.8 dB，天线的S11为7.6 GHz和20.2 GHz，反射系数分别为25 dB和23 dB，此天线的设计制造有利于天线的集成和与CMOS工艺等的兼容，并且兼有加工精度高和系统集成的优势。文章还重点对天线的制作工艺进行了详细地介绍，对于以后此类研究具有一定的参考价值。

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