(75～325)GHz 毫米波量热计吸收负载研制

陈肇岭,程春悦,刘宇轩

(北京无线电计量测试研究所,北京 100039)

1 引言

功率是无线电电子学计量的基本参数,也是描述信号的代表性参数之一,例如在雷达和通信领域,功率测量结果直接影响了作用距离、灵敏度等关键技战术指标的准确评估。同时,很多其他无线电参数也需要直接或间接地溯源到功率参数,因此,国内外主要计量机构都把功率标准技术研究置于非常重要的地位[1]。北京无线电计量测试研究所从2004 年开始系统性地开展了基于双负载结构的量热式功率测量标准技术研究工作。其核心单元即微波直流功率替代器件采用了内部嵌入微型表贴电阻的楔形宽带吸收负载结构,已被使用在所研制(18～170)GHz 的功率标准装置中。

随着毫米波-太赫兹技术逐渐被应用于制导、探测、通信等领域,业界对建立更高频段的功率计量标准提出了迫切需求。而继续采用现有形式的微波直流功率替代器件建立更高频段的标准主要存在以下两个问题:

1)加工工艺的制约

随着频率提高,波导尺寸相应变小,WR05(140～220)GHz 波导截面尺寸为(1.27×0.635)mm。此时,将微型电阻嵌入到吸收负载内,以及制作吸收特性和热学特性一致负载的操作流程会变得十分复杂。微波直流替代效率评估也将变得更加困难。

2)测量时间的制约

随着频率的升高,信号源稳定性变差,因此需要尽量缩短测量时间。传统的羰基铁粉结合环氧树脂制成的材料导热系数较差,通常在(1～2)/(m·K)之间,这会延长量热计的平衡稳定时间。

为满足业界对毫米波太赫兹频段功率计量标准的需求,可选择以毫米波量热式功率敏感器关键技术突破为目标,开展基于多层体硅掺杂结构的吸收负载和与之配合的自平衡反馈电路两项关键技术研究,进而为后续新型功率标准的研制和建立奠定技术基础。

2 负载结构及设计研制

2.1 负载结构形式选择

传统吸收负载结构采用添加羰基铁粉的环氧树脂材料。但在大约70 GHz 以上频段,材料的复磁导率接近1 +j0,体现出无磁性特征,只能依靠介电损耗吸收入射功率。在100 GHz 以上频段,传统吸波材料相比于纯介电损耗材料而言并无优势可言,因此需要考虑使用其他材料的负载结构形式。而体掺杂半导体由于具备有限电导率,通过形状匹配以及控制掺杂浓度同样可以实现对电磁波的良好吸收。比较了不同方案吸波负载的优点缺点,如表1 所示。

表1 负载吸收体优缺点比较Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of load absorbers

波导负载由矩形开口波导和负载两部分组成。把硅片搭载于一端削尖的矩形波导上,几何结构如图1 所示。波导前端削尖再搭置负载,负载完全搭载于波导外侧,方便负载上放置温度传感器和直流加热器。纯单晶硅本身的体电导率很差,可以通过掺杂手段改善体电导率,以实现对电磁波的衰减[2]。

图1 波导负载示意图Fig.1 Diagram of waveguide load

2.2 吸收负载反射系数仿真

相关文献[3-5]显示,多层渐变体电导率材料结构有改善材料整体电压驻波比(VSWR)的潜力[6],通过电磁仿真可验证这一结论。

在限定负载总厚度,波导管长度和斜劈角度的前提下,对多个频段下一层、二层、三层负载结构进行了仿真。

在总厚度0.6 mm,波导管长度为15 mm,斜劈角度为8°的条件下,得到各频段下单层结构的最优化仿真。可以发现,对于每个频段下单层结构的最优化仿真,总能找到对应的双层结构和三层结构,使得其性能优于单层结构,仿真参数设置和仿真结果分别如表2 和图2 所示。

图2 单层/双层/三层结构仿真驻波对比图Fig.2 VSWR simulation comparison of single-layer/double-layer/three-layer structure

表2 仿真参数设置Tab.2 Simulation parameter settings

仿真的基本思路为:

1)找到某频段内单层负载的最优结果。

2)找到一组双层负载结构,使双层负载结构的第一层体电导率与单层负载相同,且电压驻波比表现更好,这样便能说明双层负载结构电压驻波比表现优于单层。

3)找到一组三层负载结构,使三层负载结构的第一层体电导率、厚度与双层负载结构相同,第二层体电导率与双层负载相同,且电压驻波比表现更好,这样便能说明三层负载结构驻波表现优于双层。

可以得出以下结论:

1)在目前给定的总厚度下,双层结构和三层结构相比单层结构,能实现更优的电压驻波比;

2)在目前给定的总厚度下,双层结构和三层结构的仿真结果区别不大,说明即便继续增加层数到4 层及以上,也很难使得性能进一步提高。若要进一步验证三层结构的优越性,可能需要将总厚度提升到0.6 mm 以上。

在当前厚度下,考虑到三层结构负载的电压驻波比表现相比双层结构改善程度有限,而且三层结构负载制备更加复杂,故选定双层结构为仿真优化目标。

经过仿真优化设计,最终筛选得到的各频段下最优曲线如图3 所示。

图3 各频段最佳优化曲线图Fig.3 Optimal optimization curves for each band

这些优化曲线对应的结果为制定硅晶圆键合方案奠定了基础。

2.3 吸收负载加工装配

硅晶圆是半导体工业的基本材料,晶圆键合技术可以将两种或多种材料(结构)结合成一体,实现材料和器件的高密度集成[7,8]。键合并切割后的硅晶圆如图4 所示,图4 从左至右依次是用于制作(75～110)GHz,(140～220)GHz 和(220～325)GHz吸收负载的双层键合硅片。

图4 键合硅片实物图Fig.4 Picture of bonding silicon wafers

随后将经光刻工艺加工后的键合硅片通过黏合剂粘到斜劈波导上,制作成波导负载,如图5 所示,黏合剂选择AB 结构胶,主要成分为环氧树脂。

图5 波导负载实物图Fig.5 Picture of waveguide load

3 负载驻波测试

实测了所研制的毫米波量热式功率敏感器波导负载在(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 频段的电压驻波比,并与某公司的商用功率敏感器进行比较,结果如图6 所示。

图6 (75～325)GHz 电压驻波比测试结果图Fig.6 Results of VSWR measurement from (75～325)GHz

图6(a)对比了(75～110)GHz 下的电压驻波比测量结果,双层键合负载的驻波比范围在1.003 8～1.118 之间,平均值约为1.087,对应的反射系数范围和平均值分别为0.001 9～0.056 和0.08;图6(b)对比了(140～220)GHz 下的电压驻波比测量结果,双层键合负载的驻波比范围在1.004～1.064 之间,平均值约为1.031,对应的反射系数范围和平均值分别为0.002～0.031 和0.015;图6(c)对比了(220～325)GHz 下的电压驻波比测量结果,双层键合负载的驻波比范围在1.013～1.096 之间,平均值约为1.047,对应的反射系数范围和平均值分别为0.006 5～0.046 和0.023。

4 结束语

围绕(75～325)GHz 直波导形式功率敏感器波导负载研制展开工作,采用薄壁不锈钢镀金结构波导,并基于硅片键合工艺研制出(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 共3 个频段的宽频带吸收负载。经实测,电压驻波比分别为1.0038～1.118,1.004～1.064,1.013～1.096,达到先进水平。