Ka频段硅基阵列天线设计

贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081)

Ka频段硅基阵列天线设计

贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081)

微带阵列天线是实现通信、测控等系统小型化的关键设备之一。为了进一步降低天线高度，对应用深腔刻蚀、硅通孔等微电子机械微纳加工技术，实现Ka频段硅基阵列天线的方案进行了分析研究。对常用的各种微波基板材料特性进行分析，结合3D封装集成需求，最终采用背面开腔的高阻硅材料，设计了同轴背馈硅基线极化4×4阵列天线。对天线阵元、馈线等结构进行了理论分析计算，并通过电磁场仿真软件进行优化验证，仿真结果表明指标满足系统要求。同时也对阵列天线在制造过程中的关键工艺问题进行了分析，研究了在硅基材料上实现微带阵列天线制造可行性，为今后相控阵中天线与微波有源电路3D系统级封装集成进行了有益探索。

Ka频段；高阻硅；阵列天线；硅通孔；系统级封装

0 引言

微带阵列天线与常见的抛物面天线相比具有低轮廓(平面结构)、体积小、重量轻、可共形、易与有源电路集成等优点[1-2]。特别是在毫米波频段，因频率波长较短，天线尺寸与收发微波有源电路尺寸相当，可利用3D封装技术将天线阵元与有源电路进行一体化系统级封装(System in Package，SIP)集成，因此微带阵列天线在毫米波频段卫星通信、航天测控等系统中得到广泛研究和应用[3]。卫星通信低轮廓天线通常采用一维有源体制砖块式结构方案[4]，天线一般采用传统PCB工艺制造，通过接插件与有源电路模块相连，阵列天线整体高度较高，往往成为机载、弹载等平台应用的瓶颈。

为了进一步降低天线高度,本文对在高阻硅衬底上，应用深腔刻蚀、硅通孔(Through Silicon Via,TSV)等微电子机械(Microelectro mechanical Systems,MEMS)微纳加工技术，结合SIP封装技术，实现同轴背馈式Ka频段硅基阵列天线的方案进行讨论。

1 阵列天线单阵元设计

阵元是组成阵列天线的基础，单阵元性能直接影响到天线阵列的性能。

1.1 阵元基板材料选择

基板决定着天线阵元的性能，一般选择基板时需着重考虑材料的相对介电常数εr、损耗角正切tanδ、厚度、加工难度等以及与其他功能部件集成难易程度等要求。

基板材料特性与天线性能存在以下关系，在选择基板时需结合以下几点综合考虑：

① 基板材料相对介电常数变大，工作频率波长变短，从而阵元尺寸减小，有利于实现小型化。

② 材料相对介电常数表征了电介质对电场能量的约束能力。相对介电常数越高，约束能力越强，阵元辐射效率越低。

③ 损耗角正切表征了材料在施加电场后介质损耗的大小，在实际工程设计中应尽量选用低介电损耗角正切的材料。

④ 增加材料厚度可以提高阵元工作带宽和辐射效率[5-6]，但也会增加介质损耗、表面波损耗和微带线的辐射，降低天线的品质因数。保证阵元金属层厚度及减小金属层表面粗糙度可减小导体损耗。

目前，可用于毫米波频段基板的典型材料特点如表1所示。

表1 可用于毫米波频段基板典型材料特点

材料名称相对介电常数损耗角正切加工复杂度再集成难度GaAs12.90.001复杂中等RT/duroid58802.200.001容易较难石英3.80.0002复杂较难Al2O3(99.6%)9.90.0005中等中等FerroA6M5.900.002中等容易高阻硅11.90.001中等中等

GaAs材料是现阶段生产微波射频器件的主要材料，但因其材料缺陷，集成规模受限，且成本较高、加工制造工艺复杂，主要用于高频的半导体芯片制造。

RT/duroid 5880是在微波频段常用的低损耗介质基板，广泛应用在各种微波射频设备中，采用普通印制板工艺即可加工，但实现多层加工成本较高。

石英和Al2O3均是薄膜电路中常采用的衬底，电路性能良好。石英基板材质较脆，在材料上制作大量孔时，成品率较低，加工难度稍大。

Ferro A6M是目前LTCC工艺线上常用的高频微波介质材料，加工容易且易与有源电路集成。

硅是制造MEMS器件常采用的材料，采用常规薄膜工艺即可实现，且硅基上制作的图形表面状态良好，粗糙度小于0.002 μm。

根据系统总体设计思路，需要实现天线阵列、MEMS器件(射频开关)、有源电路芯片(发射、接收)等单元的综合集成，以及综合考虑各种材料所采用工艺技术加工精度等，最终天线阵列材料选用与MEMS器件相同高阻硅。大部分电路单元之间的互联互通可利用半导体工艺制造完成，减少了后期二次封装工作量。

若硅基材料应用在天线系统时，应首选高电阻率的硅，即高阻硅[5]，文献[2]中给出了不同电阻率的硅基材料的电阻率对单片微带天线性能的影响，如表2所示。

表2 电阻率对单片微带天线性能的影响

硅的电阻率/(Ω·cm)增益/dB辐射效率/%50-204500-1014100035620004.16330005.773.540006.081.3

主要是由于低电阻率的硅基材料电阻性损耗较大，消耗了大部分能量，从而造成了低增益、低效率。

1.2 单阵元设计

天线阵元结构如图1所示，图中W为阵元宽度大小、L为阵元长度尺寸、L1为阵元馈线位置偏差大小、εr为基板介电常数、h为基板厚度等、R为馈线导体直径。

图1 阵元结构示意图

因高阻硅材料介电常数较高，工作时阵元易激励出表面波，增加天线损耗，所以要采取措施适当降低材料的介电常数。

降低高阻硅介电常数的常规方法是通过增加空气介质腔或材料掺杂等方式，增加空气介质的方式较容易实现。在硅天线阵元背面腐蚀一定深度腔，形成高阻硅+空气的双介质衬底。通过空气腔高度调整等效介电常数的大小，随着腔体高度增加，介电常数逐渐降低。在决定腔体高度时，应考虑工艺制造的难度。

双介质衬底的介电常数的计算公式为[6]：

(1)

式中，εr、h分别为增加空腔后等效介电常数和总厚度；ε1、h1分别为空气腔介电常数和腔体深度；ε2、h2分别为高阻硅介电常数和材料厚度(不含空气腔)；高阻硅、空气的介电常数分别为11.9、1.0。

BW=5.04f2h，

(2)

式中，BW为频带带宽(单位：MHz)，f为工作频率(单位：GHz)，h为基板厚度(单位：mm)。当工作频率为29～31 GHz时，推算材料厚度h至少为0.441 mm。

根据可选材料厚度及现有工艺加工能力，最终确定选用电阻率为4 000 Ω·cm、厚0.5 mm的高阻硅材料，空气腔深度为0.25 mm。

由式(1)计算可知，高阻硅+空气衬底的等效介电常数为：

εr=1.85 。

(3)

阵元采用常用的矩形微带贴片形式。

在确定衬底材料、厚度等参数后，即可由式(4)和式(5)分别计算得出阵元宽度W及阵元长度L具体数值。

(4)

式中，c为自由空间光速(3×108m/s)，εr为衬底相对介电常数(1.85)，f0为阵元辐射中心频率(30.0 GHz)，经计算W值为4.19 mm。

(5)

其中：

(6)

(7)

式中，εr为衬底相对介电常数(1.85)，εe为有效的介电常数(1.71)，h为衬底厚度(0.5 mm)，W为阵元宽度(4.19 mm)，经计算L值为3.14 mm。

1.3 馈电网络

微带阵列天线的馈电网络有多种形式[8]，从实用化方面考虑，同轴线背馈是最为常采用的方式之一。文献[9-15]中对不同频段、不同形式的阵列天线进行了研究，但均采用微带线侧馈方案。

因为在卫星通信、航天测控等系统中天线要对准卫星或航天器，微带线侧馈天线不太适合，考虑到与有源电路的集成要求，同轴线背馈方式是最优的选择。高阻硅背面有空腔结构，同轴线背馈结构如图2所示。

图2 硅基同轴线背馈天线阵元示意图

同轴线馈电方式其外导体与接地板相连，内导体穿过接地板上的通孔及介质，连接在微带贴片上。优点是馈电点可选在贴片内任意所需位置，便于匹配；馈电网络位于接地板下方，不会干扰天线面的辐射。缺点是空气腔、通孔结构制作较复杂，特别是硅上通孔的深宽比较大，工艺实现有一定的困难。

在使用同轴结构实现背馈时，主模TM10模式下，馈电点在阵元长度L方向边缘处输入阻抗最高，约为100～400 Ω。馈电点在阵元W方向的位移对输入阻抗影响较小，但在偏离中心位置时，易激发TM1n模式。因此在宽度方向上馈电点位置一般选取在中心点；在阵元的几何中心点处输入阻抗为0，长度方向馈电点位置可由式(8)计算得出。

(8)

式中，

(9)

经计算L1值为0.60 mm。

2 阵元仿真及分析

2.1 单阵元

利用HFSS三维仿真软件对阵元微带贴片的尺寸、馈线结构及馈电位置进行建模、优化，使得在一定工作带宽内驻波、增益满足使用要求。带腔与无腔2种结构仿真结果如图3所示。

据工程经验，天线端口回波一般要求<-10 dB。从图中可以看出，若高阻硅不开空气腔(无腔结构)小于-10 dB的带宽仅有1.2 GHz；采用带腔结构后小于-10 dB的带宽已经达到了2.3 GHz。同时，2种结构的天线阵元增益也有较大差异，开腔结构的最高增益达到了6.36 dB，而未开腔的阵元增益仅有5.21 dB。

采用高阻硅带腔的结构形式提高了天线阵元的性能，仿真结果满足系统要求。

图3 阵元馈线端口回波损耗

2.2 阵列天线

阵列天线的性能不是简单的阵元性能的累加，在设计中需要解决2个问题：

① 阵元间的互耦问题。互耦能够引起天线阵元性能的变化。阵元间距较大时，互耦作用较小，影响可忽略；相反当间距较小时，就不能忽略互耦的影响。通常选取阵元间距为0.6～0.8个工作波长最为合适。在仿真中，通过设置周期性边界条件(主从边界)和周期性激励方式，来仿真计算阵列天线的方向图、增益等性能。

② 阵列天线与有源芯片集成后自激问题。Ka频段阵列天线具有体积小、高增益的特点。在有限的面积内集成了数十片有源电路，极易造成电路的自激，从而影响电路性能，甚至电路不能正常工作。将有源分腔、采用带状线传输及增加金属屏蔽结构等措施是有效的解决办法。

考虑天线与有源电路一体化封装的要求，设计中采用阵元间距设置为0.7个自由空间工作波长，即7.0 mm(30.0 GHz)。经计算，4×4阵列天线最高增益为18.2 dB，驻波变化不大，满足项目要求。

根据现有方案，阵列天线(含有源电路部分)的外形尺寸可以控制在30 mm×30 mm×20 mm以内，与常规Ka频段砖块式阵列天线相比高度降低2倍以上。

3 工艺制造

TSV是在硅片上开出通孔，孔内填充导体材料，形成垂直电互连结构。优点是可以明显降低系统尺寸，能够为信号提供最短的传输路径，降低传输损耗。

TSV制作一般包括通孔制作、绝缘层/阻挡层/种子层沉积、通孔填充、减薄等重要工艺过程。从传输性能、导热、批量生产及可靠性等方面要求来说，要求孔壁与基板材料结合度高、孔内填充完整无空洞或缝隙、填孔效率高[16]。

硅基天线阵列的制造难度在于高深宽比的硅通孔制作。根据阵元仿真结果，作为馈线使用的硅通孔直径小于18 μm，深度500 μm，深宽比>27，工艺实现难度非常大。需要对大深宽比的通孔制备、绝缘层生长、通孔填充等关键工艺问题进行专题研究。

目前，通过工艺参数优化、调整工艺路线等措施，已经实现了高深宽比12，孔径30 μm的硅通孔制作，且成品率较高。

根据专题试验结果来看，后续可以通过以下措施，进一步提高硅通孔制作能力：

① 通过ICP干法刻蚀与湿法刻蚀结合的技术途径实现TSV通孔的制作，既可保证通孔尺寸精度，又使得孔壁光滑均匀、垂直度高；

② 优化硅通孔刻蚀后清洗技术，选择合适的材料体系避免绝缘层材料与硅片、导体间扩散，以满足TSV通孔绝缘层的性能要求；

③ 调整镀液添加剂、选择合理电流密度等手段保证通孔填充质量。

阵列天线硅基天线阵元与有源电路的集成也是需要重点考虑的问题，特别是层间互联互通的结构设计尤为重要。

4 结束语

利用三维电磁仿真软件，在29～31 GHz Ka频段内对4×4硅基线极化阵列天线进行了仿真分析，验证了通过增加空气腔降低等效介电常数提高阵列天线性能的思路。通过采用同轴背馈式馈电网络，可实现天线阵元与有源芯片的系统级多层封装互联，使得阵列天线更加适合于通信、测控等系统应用。

在工作频段内，回波损耗<-10 dB，天线增益>18 dB，表明该天线具有良好的工作特性。

通过对硅基天线的设计，探讨了在毫米波频段应用硅基材料实现天线阵列集成的可能性。

[1] 鲍尔 I J，布哈蒂亚 P.微带天线[M].梁联倬，寇延耀，译.北京：电子工业出版社,1984.

[2] 梅立荣,张乃柏，马延爽.一种C波段宽带微带天线的设计与仿真[J].无线电通信技术,2014，40(4)：64-66.

[3] 王彩华,陈晓光.一种改进的宽带微带天线设计[J].无线电工程，2011，41(11):43-45.

[4] 韩国栋，杜彪，陈如山.卫星移动通信相控阵天线的研究现状与技术展望[J].无线电通信技术，2013，39(4):1-6.

[5] Duan Z S,Qu S B.Wide Bandwidth and Broad Beamwidth Microstrip Patch Antenna[J].Electronics Letters,2009,45(5):249-251.

[6] Chang L,Liao C,Chen L L.Design of a Printed Compact Antenna with Enhanced Impedance Bandwidth[J].Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(1):86-89.

[7] 杨芳.高阻硅基底阵列式微带天线中的传输特性研究[D].成都：电子科技大学,2011.

[8] 潘武，钟先信，巫正中.微机械微带贴片天线研究[J].光学精密工程,2001，9(3):247-251.

[9] 张钧，刘克诚，张贤铎，等.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社,1988.

[10] 陈伟强.毫米波MEMS天线研究[D].上海：上海交通大学,2008.

[11] 姚科明.基于MEMS C波段全向波束赋形天线研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[12] 赵明锐.基于 MEMS 硅基底 L波段微带天线的研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[13] 杨柳风.双层硅基 MEMS 微带天线阵列研究[D].北京：北京理工大学,2015.

[14] Cheng H R,Chen X Q.Design of a Fractal Dual-polarized Aperture Coupled Microstrip Antenna[J].Progress In Electromagnetics Research Letters,2009,9:175-181

[15] Zhao F,Xiao K,Feng W J.Design and Manufacture of the Wide-band Aperture-coupled Stacked Microstrip Antenna[J].Progress in electromagnetic Research,2009,7:37-50.

[16] 余成昇,许高斌,陈兴,等.高深宽比的TSV制作与填充技术[J].真空科学与技术学报,2016,36(1):93-97.

DesignsofaKa-bandArrayAntennaBasedonSiSubstrate

JIA Shi-wang

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Microstrip array antenna is one of the key equipment in communication,measurement and control systems to realize miniaturization.According to the project requirement,a Ka-band silicon based antenna array utilizing deep cavity etching,through-silicon-via (TSV) and MEMS/NEMS fabrication technology is studied.By using a high resistance silicon substrate with back-side cavity structure,a rear feeding silicon based linear polarization array antenna is designed.In order to meet the system expectation,the antenna array and feeding structure are investigated and optimized using electromagnetic EDA software.In addition,research on the key fabrication process to implement the silicon based antenna array is conducted.The study is of great significance to future 3D system-in-package (SIP) phase array antennas and microwave circuits and systems.

Ka-band;high resistance silicon;array antenna;TSV;SIP

TN821.8

A

1003-3114(2017)06-52-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.13

贾世旺.Ka频段硅基阵列天线设计[J].无线电通信技术,2017,43(6): 52-55,80.

[JIA Shiwang.Designs of a Ka-band Array Antenna Based on Si Substrate[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):52-55,80.]

2017-07-20

国家部委基金资助项目

贾世旺(1977―)， 男，高级工程师,主要研究方向：微波射频微系统。