一种基于微纳米加工技术的新型太赫兹片上螺旋天线*

郭 林,潘 杰

(1.南京邮电大学现代邮政学院,南京 210003;2. 郑州升达经贸管理学院,郑州 451191)

一种基于微纳米加工技术的新型太赫兹片上螺旋天线*

郭 林1*,潘 杰2

(1.南京邮电大学现代邮政学院,南京 210003;2. 郑州升达经贸管理学院,郑州 451191)

给出了一种基于微纳米加工技术的3D片上天线结构,天线工作频率为1.5 THz。该天线结构包含圆柱形金属螺旋和衬底上的微带馈线2个部分。所提出的天线结构可以在单片晶圆上利用微纳米加工技术实现,且方便与系统其他部分的电路集成于同一芯片内部。天线在1.4 THz～1.6 THz频段内具有很高的增益(11 dBi)和很宽的工作带宽(200 GHz),非常适合应用于太赫兹通信系统。

太赫兹(THz)天线;片上螺旋天线;微纳米加工技术;微带线

太赫兹THz(Terahertz)波通常是指频率在 0.1 THz～10 THz(波长在30 μm～3 mm)波段的电磁波,它在长波段与毫米波(亚毫米波)相重合,其发展主要依靠电子学科学技术,而在短波段又与红外线(远红外)相重合,其发展主要依靠光子学科学技术,所以太赫兹科学与技术是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域,对于电子学与光子学研究的相互借鉴和相互融合具有重要的科学意义和极大的研究价值[1-4]。

太赫兹波段在电磁波谱中所处的特殊位置使它有很多优越的特性,在相关研究领域有着非常重要的学术和应用价值。在通信领域,由于THz频段存在着如图1所示的大气透射窗口,因此0.3 THz以上的载波频率能够用于采用高比特率传输技术的通信系统[5-8]。

图1 太赫兹频率范围内的大气衰减

太赫兹电磁波的光子能量约为可见光的光子能量的四十分之一,因而利用THz波做信息载体要比用可见光或近中红外光能量效率高得多。与微波技术相比,THz波可以探测更小的目标和实现更精确的定位,具有更高的分辨率和更强的保密性;而与红外和激光技术相比,THz波具有穿透沙尘烟雾的能力,可以实现全天候工作,因而太赫兹通信技术有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大作用[9-12]。

本文给出了一种利用微纳米加工技术制造的太赫兹片上圆柱形螺旋天线[13]。选择合适的螺旋尺寸能够方便地调节天线的中心频率和带宽。利用电磁仿真软件Ansoft HFSS13探讨螺旋尺寸和天线性能之间的关系。本文中提出的螺旋天线在短波段太赫兹电磁波的大气透射窗口1.4 THz～1.6 THz工作频段内的回波损耗小于-20 dB,增益大于10 dB,表明该天线具有良好的工作特性。

1 天线设计

螺旋天线是由导电性能良好的金属线、金属带或金属管绕制成螺旋形状,并对其正确馈电而构成的,其几何形状如图2所示。

图2 圆柱螺旋天线

螺旋天线的主要几何参数有:螺旋线的直径D,螺旋线的周长C,螺距S,一圈螺旋线的长度L,螺旋节距的升角α,螺旋圈数n,螺旋线的轴长H,螺旋导线的直径d。其中:

C=πD
L2=C2+S2
S=Ctanα
H=nS

(1)

螺旋天线可以分为法向模和轴向模2种工作模式。当D≪λ(D/λ<0.18)时天线工作在法向模,其最大辐射方向垂直于螺旋线的轴线;当0.25≤D/λ≤0.4时为轴向模式,其最大辐射沿螺旋的轴线方向。由于太赫兹波具有良好的定向性,且在大气透射窗口区域的传播衰减较小,适合应用于卫星与地面通信等点对点通信方式,因此要求太赫兹天线具有较好的定向性。本文所设计的太赫兹片上螺旋天线工作在轴向模。

轴向模螺旋天线上的电流几乎是由馈电点向外传播的纯行波,仅在接近开路端的短距离内电流呈驻波,末端反射很小。输入电流沿着螺旋线不断地旋转,电场矢量也以同样的方式旋转,因此螺旋天线的轴向辐射场近似为圆极化。轴向模螺旋天线的结构虽然是连续的,但仍可以当作1个n元的周期结构来处理。Kraus通过对大量螺旋天线进行分析和测量工作,归纳总结出了工作在轴向模圈数超过3圈的螺旋天线的增益或波束宽度与螺旋线几何尺寸之间的经验公式[13]:

(2)

为了得到天线的最佳尺寸,采用Ansoft HFSS13 对天线进行了仿真计算。由式(2)估算天线的初始结构参数,并针对天线的结构进行优化计算。本文所设计的馈电片上螺旋天线工作在1.5 THz频率,圈数n=15,线圈直径D=52 μm,螺距S=35 μm,条形金属薄膜的宽度w=7.6 μm,厚度t=0.9 μm,硅衬底厚度h=16 μm。

2 天线加工

利用传统的半导体光刻技术制作片上(On-Chip)螺旋天线时,每加工一层螺旋线圈,至少需要进行两次光刻,不仅加工费用昂贵,而且螺旋结构不能一次成型,各层线圈之间很难实现平滑连接,影响天线性能。聚焦离子束(FIB)技术能够克服传统光刻工艺的种种不足,制作片上微结构时不仅无需昂贵的掩膜,而且可以做到一次成型,研究利用FIB应力引入技术的三维微/纳米尺度加工工艺制作THz片上螺旋天线具有重要的现实意义。

本文所提出的太赫兹片上螺旋天线结构即是利用KOH湿法腐蚀技术去除金属线下方的硅衬底,在硅片表面形成悬空的条形金属薄膜悬臂梁结构,再通过聚焦离子束对薄膜结构进行轰击,注入的镓(Ga)离子将在薄膜表面几十纳米深度范围内对材料造成损伤,产生辐照损伤层,并在晶界附近引入应力,而应力释放则导致悬浮膜结构翘曲形变。通过控制FIB扫描位置和角度,经多次反复扫描,可由片上悬臂梁结构一次加工成型三维立体螺旋结构。利用FIB技术一次成型所得到的螺旋线圈具有很好的连续性和光滑度,其螺旋半径可以做到微米甚至纳米量级,从而使天线工作在太赫兹波频段。

常规的机械螺旋天线通常采用同轴线馈电,但是THz片上螺旋天线是利用FIB技术加工悬臂梁绕制而成的,因此适宜采用微带等平面结构的传输线馈电,而且这些平面传输线本身就具有较大尺寸的接地平面,这样就免去了为同轴馈电的机械螺旋天线制作杯状反射平面的步骤,图3给出了微带线馈电的片上螺旋天线仿真模型。

图3 片上螺旋天线仿真模型

3 天线设计结果

本文采用基于有限元分析的计算电磁仿真软件Ansoft HFSS 13对天线进行仿真。仿真结果如图4～图6所示。

从图4可以看出,天线的回波损耗在1.4 THz～1.6 THz频段内小于-20 dB,表明天线在太赫兹波段具有良好的频率特性。

图4 天线的回波损耗

图5 天线的增益

如图5所示,在1.4 THz～1.6 THz频段内天线的增益高于10 dB,可以看出该天线在该频段范围内具有很好的增益特性,而且平坦度较好,增益的变化范围为10 dB～12 dB。

天线在1.4 THz、1.5 THz和1.6 THz的E面与H面的方向图如图6所示。由图中不难看出,天线在工作频段内定向性比较好。而且XOZ平面和YOZ平面3 dB的波瓣宽度相差不大,这样对于馈源螺旋天线来说,可以改善相散问题。

图6 天线在工作频段的辐射方向图

4 结论

本文提出了一种利用微纳米加工技术制造的太赫兹片上螺旋天线。并采用电磁场仿真软件Ansoft HFSS 13对天线进行仿真。天线具有很宽的阻抗带宽,在1.4 THz～1.6 THz频段内天线回波损耗优于-20 dB,平均增益约为11 dB,具有良好的频率特性和定向辐射性能。为设计THz天线的问题提供了新的思路。

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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

项目来源:国家自然科学基金项目(61404157);南京邮电大学校级科研基金项目(NY214189和NY215146);中兴通讯产学研合作基金项目;河南省科技攻关计划项目(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