Ku波段的新型分形小型化天线*

周　杨， 罗　乐， 徐高卫

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)



Ku波段的新型分形小型化天线*

周杨， 罗乐， 徐高卫

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

摘要:天线的小型化对于微波封装系统集成度的提高，性能的改善，成本的降低有着重要作用。将分形结构引入传统折叠槽天线，通过加载自相似的分形结构使天线的面积缩小，进一步利用高阻衬底取代了背部镂空结构使得天线面积缩小为原先镂空衬底下的22 %，不仅提高了天线的性能，而且增强了结构可靠性。天线工作在Ku波段,使用ANSYS HFSS进行建模和仿真。最后通过MEMS加工平台做出了二阶分形结构的样品，给出了详细的工艺流程，并就关键步骤进行介绍，最后给出了仿真结果与测试结果的对比。

关键词：天线； 分形； 高频结构仿真器； 工艺

0引言

无线通信技术的蓬勃发展，无线便携设备的大量应用与普及，对系统级封装提出了诸如更高密度、更小尺寸、更优性能、更低成本等越来越多的挑战和要求。天线作为面积最大的无源器件，其小型化一直是业内关注的热点问题，天线的小型化对于其能否成功集成在微波封装系统中意义重大。利用分形理论构造分形结构是实现天线小型化的有效方法之一[1～4]，分形理论开始于1975年数学家Mandelbrot在著作中将不规则集合定义为分形[5]。分形理论可以看作对传统欧几里得几何学的补充，以研究不规则几何形态为主要对象，也叫作描述大自然的几何学。分形思想可以被最简要地概括为一种“自相似性”，即组成整体的部分，与整体具有几何上的相似性。分形的维数，不仅仅可以是整数，也可以是分数。测度论的建立，使得定义这些非规律形态的维数成为可能，将传统的整数维数拓展到了分数维数。利用分形的自相似性，与传统结构天线相结合，可以使得天线具有更小的尺寸和更优的性能，甚至可以设计出新颖结构的新天线。本文建模与仿真选用高频结构仿真器(high frequency structure simulator，HFSS)，这是一种三维电磁仿真软件，作为世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，能计算任意形状的三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS拥有强大的天线设计与仿真功能，是当今天线设计最流行的软件。

1折叠槽天线小型化的实现与优化

1.1天线与零阶分形原型

在金属层上通过开槽和缝隙向外辐射电磁波的天线是折叠槽天线，这种天线结构较为简单，和矩形微带天线互为对偶结构，设计、制作方便，文献[6]中实现了折叠槽天线在硅基上的集成，其给出的集成结构如图1。中心频率为15 GHz，该结构在普通硅上即可实现，背槽的优势主要在于最大程度排除了衬底损耗对器件性能的影响，使得天线下方的介质厚度等效于无穷大，介电常数趋于1。天线的关键尺寸参数设置如下：Wa1为180 μm,Wa2为70 μm,Sa为2 mm,La为8 mm。

图1　具有背槽结构的硅基折叠槽天线的结构示意图Fig 1　Structure diagram of Si-based slot-folded antenna withback-etching cavity structare

1.2分形结构天线的设计与仿真

现采用分形结构对天线进行小型化处理。选取在缝隙间内接入椭圆和槽隙的结构作为分形元，分形元结构的引入，改变了电流分布情况，新电流路径沿着缝隙和椭圆边缘曲折，最终结果实际等效于增加电流回流路径，增强了电感效应，从而等效于增加了天线的长度。图2为一阶分形结构的HFSS模型，图3是仿真结果的回波损耗S11参数和电压驻波比(VRWR)。

图2　一阶分形折叠槽背槽天线的HFSS模型Fig 2　HFSS model for first-order fractal slot-fold antennawith back-etching cavity

图3　回波损耗S11与电压驻波比仿真结果(一阶)Fig 3　Simulation results of retur loss S11 andVSWR(first order)

经计算，天线的阻抗带宽(电压驻波比小于2)可达到12.7 %，远远高于普通的微带贴片天线。此时的一阶分形天线尺寸参数相比于零阶(将折叠槽天线原型视为零阶)，尺寸有了明显减小，特别是La，减小了800 μm。经计算，一阶天线的面积比零阶减少了14.1 %，至此，已初步实现小型化与性能优化的目标。

在一阶的基础上增加一级分形元，即得到二阶分形结构，二阶比一阶对于电流路径改变程度会更大，其HFSS模型如图4所示，最终仿真结果如图5。经计算，二阶分形结构相比于一阶分形结构，面积尺寸缩小了约20.5 %，且其关键微波参数优良，电压驻波比中心频率处仅为1.1。至此，在HFSS仿真平台上实现了分形模型的建立与小型化。

图4　二阶分形折叠槽背槽天线的HFSS模型Fig 4　HFSS model for second-order fractal structure antenna

图5　回波损耗S11和电压驻波比仿真结果(二阶)Fig 5　Simulation results of reyurn loss S11 and VSWR(second order)

2厚氧化层衬底上分形小型天线的实现

以上天线的设计与优化中，均采用背部镂空结构，目的是为了最大程度减少衬底损耗对器件带来的影响，但同时由于镂空部分的上方只剩下BCB作为支撑，会在一定程度上影响系统的可靠性。为了进一步提高结构的可靠性，可考虑采用厚氧化层结构的高阻表面，首先在硅片上利用深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)腐蚀出深度为30 μm，宽度为2 μm，间距为2 μm左右的坑结构[7]。然后再对硅片进行热氧化，由于在氧化过程中，每生成1体积的氧化硅要消耗0.44体积的硅，所以,由硅变成氧化硅的过程中其体积会变大，因此，在氧化过程中，深坑被氧化硅所填充，从而在硅片上形成一层很厚的、完整而连续的氧化层，如图6。

图6　厚氧化层结构制作流程Fig 6　Manufacturing process of thick oxide layer structure

在HFSS中建立厚氧化层为衬底的二阶分形天线结构，如图7，仿真的微波参数结果如图8，由图可知，使用厚氧化层取代先前镂空结构同样取得了良好的微波性能，并且，此时天线的面积更为缩小。经计算，此二阶分形结构天线的面积仅为镂空衬底下同阶分形结构天线面积的约22 %，进一步实现了小型化，在保证性能的同时，这种厚氧化层的高阻结构有助于提高结构的可靠性。

图7　厚氧化层上的天线HFSS模型Fig 7　HFSS model for antenna on thick oxidation layer

图8　回波损耗S11和电压驻波比仿真结果Fig 8　Simulation results of return loss S11 and VSWR

3样品制备的工艺流程

3.1背槽分形小型天线工艺流程

在MEMS平台上进行天线样品的制备,衬底选用普通双抛硅片。主要的工艺流程如下：

1)热氧化：在硅片表面生长约2 μm氧化层；LPCVD生长2 000×0.1 nm的氮化硅。

2)光刻出背槽图形，并用反应离子刻蚀(RIE)将图形转移到氧化硅/氮化硅层，使用浓硫酸去胶。

3)KOH湿法腐蚀，最终形成深度约360～370 μm背槽，剩余的约60 μm厚度的硅用于支撑后续天线图形化制作。

4)在硅片背面涂覆BCB，选用陶氏化学提供的商业化BCB产品CYCLOTENE 4026—46。涂覆完成后，静置几分钟，可用90热板烘焙约60 s，然后进行固化处理。

5)BCB固化处理，使用真空或充满惰性气体的回流炉进行固化，线性升温至205 ℃，保温30～40 min，然后缓慢线性降温至室温。

6)金属溅射，BCB上溅射TiW/Au种子层，厚度500/2 000×0.1 nm，TiW可以增强种子层与衬底之间的粘附性。

7)厚胶光刻、显影，选用型号为4 620的厚胶，胶厚约5 μm，制作出天线图形。

8)电镀金，约3 μm，并去胶、去种子层。

9)利用深反应离子刻蚀刻去背面槽中剩余的硅，此时有BCB作为支撑，天线悬于背槽上方。

最终制作出二阶分形结构的天线如图9。

图9　二阶分形结构最终样品图Fig 9　Final specimen diagram of the second-orderfractal structure

3.2关键工艺节点技术

1)绝缘介质层的选择与工艺：目前较为常用的BCB厚度一般是3～12 μm[8～10]，文献[11]中详细介绍了大厚度光敏BCB的工艺流程，选用的产品是陶氏化学所提供的CYCLOTENE Xu 35075，该型号为陶氏化学的非商业化产品，不能量产，目前已十分难以购买。为了提高材料的普遍性和购置材料的便捷性，这里选用的是陶氏化学提供的另一种商业化光敏BCB产品CYCLOTENE 4026—46，这是一种小厚度产品，说明书标明的涂覆厚度范围为9～14 μm，然而实验中天线模型工作频段较高，需介质层的厚度达到20 μm以上可具有较为优良的微波性能[12]。本实验中，使用实验平台上的RC8型号厚胶涂胶机完成BCB的涂覆工作。通过适当降低额定涂覆转速，来增加BCB厚度。经过实验，最终确定转速为850 r/min，使得经固化后的BCB厚度达到了20 μm以上。新型号BCB工艺不同于先前大厚度型号的产品，在原有型号工艺的基础上进一步探索新工艺成为关键。经调研和对大量陪片进行反复摸索实验，已成功摸索出此工艺，具体的工艺流程在此不加赘述。

2)微小线宽厚胶显影：由于分形椭圆结构与槽隙的最窄处仅为5 μm，若显影时间不够，会导致槽隙未打开，若过显，则最窄处会进一步拉开，从而带来很大的工艺误差。经过实验，如图10，测量得缝隙最窄处为4.953 μm，取得了良好的显影效果。图11是经电镀并去胶后的椭圆边缘及槽隙处，可以看到，图形边缘非常清晰，电镀效果也很好。

图10　显微镜下测量的缝隙最窄处Fig 10　Measured the narrowest slot under microscope

图11　电镀、去胶后的椭圆边缘与槽隙处Fig 11　Edge of ellipse and slot after electroplatingand photoresist removing

3.3厚氧化层衬底天线的制作

该天线制作的关键在于厚氧化层衬底的制作，详细工艺流程如下：

1) 衬底选用普通双抛硅片，热氧化形成2 μm的氧化层，光刻形成宽度和间距为2 μm的槽结构和梁结构的图形，并通过反应离子刻蚀将图形转移至氧化层。

2) 利用MEMS工艺中的深沟槽刻蚀工艺，采用深反应离子刻蚀在硅片上刻蚀出高深宽比的深槽结构，如前文中图6，具体工艺效果图如图12。

3) 通过热氧化，使得梁结构全部转化为SiO2，其体积膨胀使得沟槽结构得以填充，最终形成完整的厚氧化层衬底。

图12　厚氧化层衬底工艺效果图Fig 12　Process effect diagram of thick oxide layer substrate

最终的样品如图13，天线的周围是通过电镀金制备的较大面积的金属地，今后研发天线与多芯片封装样品，埋置芯片下方与周围及天线连在一起形成大面积的金属地层。

图13　厚氧化层衬底上天线的最终样品图Fig 13　Final specimen diagram of antenna on thickoxide layer substrate

4测试结果与分析

使用探针台和网分仪对样品进行测试，测试结果与仿真结果的对比如图14、图15所示。由结果可知，二阶分形结构天线实测性能的回波参数和驻波比与仿真结果能够较好的吻合，且带宽(S11<-10 dB)约为2 GHz，高阻衬底的二阶分形天线在面积缩小为原来的22 %的情况下仍能保持原来良好的性能。最终误差在容忍度范围之内，仿真与实测能很好地互相验证，不影响天线的使用。

为了今后形成一个更加完整的微波封装系统，除了MMICs，更需要集成电感器、电阻器、电容器、滤波器、天线、巴伦、信号处理与数字电路等，图16给出了微波埋置双面集成加片上天线堆叠集成方案图，天线可作为转接板贴于芯片上，实现了天线集成于封装结构中。

图14　测试结果与仿真结果对比(回波损耗，高阻衬底分形天线)Fig 14　Comparison of simulation and test results(return loss S11,fractal antenna with high resistance substrate)

图15　测试结果与仿真结果对比(回波损耗与电压驻波比，背槽结构分形天线)Fig 15　Comparison of simulation and test results(return loss S11 and VSWR,ractal antenna with back cavity)

图16　微波系统封装双面埋置集成+片上天线堆叠Fig 16　Microwave system packaging with two-sided embeddedintegration and stack of antenna in package

5结论

在折叠槽天线的基础上，通过加载自相似分形元形成的新型结构达到了天线小型化的目的，不仅缩小了面积，而且改善了性能，增加了带宽。采用厚氧化层的高阻衬底取代背槽镂空衬底，保证了性能的同时提高了结构可靠性。由于采用平面馈电，不涉及中心馈电的穿硅通孔(TSV)类工艺，故总体上样品制备工艺不复杂，且与微波系统封装相关工艺均兼容，为实现今后天线集成在封装中的片上天线的深入研究做了准备。

参考文献:

[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.硅基埋置型微波系统封装及硅基集成微波天线的研究[D].上海：中国科学院大学,2013:88-90.

[7]杨永亮.基于微机械悬臂梁结构的MEMS探测器与传感器[D].上海：中国科学院大学，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] 汤佳杰.硅基埋置型圆片级系统封装及其在微波频段的应用[D].上海：中国科学院大学，2012：47-55.

[12] 戚龙松.硅埋置型微波多芯片组件封装研究[D].上海：中国科学院大学，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

*基金项目：上海市自然科学基金资助项目(13ZR1447300)

中图分类号：TN 385

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0025—05

作者简介:

周 杨(1990-)，女，安徽淮南人，硕士研究生，研究方向为硅基集成天线与微波组件。