文摘

介绍两个复合左/右(CRLH)共面波导(CPW)零阶谐振(佐尔)天线设计,加工,电特征应用于毫米波频率范围。两个CRLH天线开发 GHz和 分别GHz。CRLH天线上 GHz的回波损耗 后 GHz。−3 dB辐射特征波束宽度大约是37°和增益 dBi。CRLH天线上 GHz的回波损耗 后 GHz和−3 dB辐射特征波束宽度约17°。收益是 dBi在 GHz和 dBi在 GHz。最大测量获得 dBi在 GHz。,在作者的知识,第一份报告的毫米波CRLH天线在硅衬底上数据技术用于mm-wave单片集成电路。

1。介绍

近年来超材料领域一直受到了科学界的关注。尽管Veselago阐述左撇子(LH)材料的理论50多年前(1),结构模仿这些属性是只有大约10年前2]。

考虑到输电线路(TL)参数,介绍了超材料作为复合左/右的概念(CRLH-TL)。CRLH是人工TL,可以通过结合古典TL的RH行为建模的输电线路满载串联连接电感和并联接地电容,通过串联连接电容器与LH行为建模和并行连接接地电感。这样一个输电线路展品右手(RH)和左撇子(LH)的行为。第一个表示这种类型的输电线路和设备的在此基础上完成(3]。

这个特定的频率特性CRLH TL的利用发展的许多类型的设备,如coupled-line定向耦合器、滤波器和谐振器和各种类型的天线4- - - - - -14]。

最实用的完整描述漏波天线和佐尔是在4]。

当前的趋势在电子显示,有必要的设备减少尺寸平面拓扑和容易与活性成分可积的微波和mm-wave集成电路。虽然数以百计的天线配置在超材料已报告文学,几乎所有的示威者加工软材料10 GHz-12 GHz频率。很少有天线制造半导体材料,(6- - - - - -8,15,16),在mm-wave频率范围,8,15- - - - - -17曾越少的,建立用于实际的微波和毫米波集成电路(17- - - - - -21]。的追求更高的效率在分配频率带宽,澳大利亚和加拿大等国家选择使用27个GHz频段和38 GHz频段,分别为宽带无线服务和各种固定的服务应用程序。所以,还需要使用天线设计的工作频率。

CRLH天线提出了处理在共面波导(CPW)配置在硅衬底和设计在实际应用中使用。数据技术首选是由于一个简单的技术方法,也由于一个简单的测量过程使用一个薄片上描述的安装。是,在作者的知识,第一个实现毫米波CRLH天线在硅衬底mm-wave集成电路的有效使用。

2。CRLH天线结构

cf的设备。15,16]本文设计零阶谐振(佐尔)天线组成的开放式CPW传输线CRLH细胞的数组。每个细胞都有一个T电路拓扑结构由两个串联连接CPW interdigital电容器和两个平行连接的短期CPW传输线感应存根。与微带天线,使用CPW传输线可以获得较小的电路面积,因为没有大片地区,不需要通过在地上。小学CRLH细胞用于天线结构如图1(一)而在图1 (b)CRLH单元的等效电路。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
CPW CRLH基本细胞用于天线建筑(a)和(b)的等效电路。

这里2 和 等效电容和等效电感串联电容器的 相当于并联电感的两个数据归纳存根和 相当于平行电容。并联电容 包括,等效并联电容的地面interdigital电容器。重要的是要指出, 和 强烈相关2 和 值。提出了类似CRLH拓扑(漏波天线的4]。

设计是为获得CRLH结构的平衡 。设计电容器的起点是选择:(i)操作共振频率 ;(2)电容器的手指的长度,这样的整体长度CRLH细胞将波长小得多的比较操作;(3)指状组合型的几何电容所允许的技术限制。

3所示。硅衬底上天线设计和加工

两个设备工作频率 GHz 38.5 GHz,分别设计,加工技术和电的特点。在下面,天线在27个GHz将称为天线# 1和38.5 GHz天线将称为天线# 2。

3.1。 GHz天线设计

一个CPW CRLH佐尔天线的频率 GHz设计、加工技术和电测量。它被认为是用于宽带无线系统的27个GHz频段在澳大利亚。设备由三共振CRLH电池5 kΩcm硅片。的元素的值CRLH等效电路计算了 Ω。

获得的值CRLH基本细胞组件(参见图1 (b)): 在北半球, 在北半球, fF, fF。对于这些值计算谐振频率 GHz。

为了获得天线辐射结构数据配置,以下几何尺寸CRLH细胞布局(电容、电感和细胞尺寸)(见图1(一)):(我)归纳CPW存根: μm; μm; μm;(2)interdigital电容: μm; μm; μm和 μm;数字是10的数量。

CRLH细胞的长度 μm满足条件 在哪里 μm是波长 GHz。表面的辐射3 CLRH细胞大约组成的天线结构。 。比较,贴片微带天线上处理硅使用相同的技术,工作在同一频率的基本模式有一个表面约。 。你可以看到CRLH天线允许表面大小减少约25%,在mm-wave电路的管理是非常重要的平面尺寸。

天线的输入是由喂养3400行μ米长度和几何计算与50Ωcharacterisctic mm-wave电路的阻抗。这个几何允许天线结构安装在专用测试夹具辐射特性和增益测量。

3.2。38.5 GHz天线设计

使用相同的设计条件和前面的描述天线,一个CPW CRLH佐尔天线的频率 GHz的设计、加工和测量。这种类型的天线被认为是用于点对点系统38 GHz频段在加拿大。基本CRLH CPW细胞具有相同的布局呈现在图1。三个共振的天线也形成CRLH细胞相同的硅片上处理。指状组合型的电容和电感的计算值频率的数据行 GHz如下: 在北半球, 在北半球, fF, fF。这些值的共振频率计算(1)给 GHz。

获得所需的物理维度CRLH细胞与以前的电容和电感值以下(见图1(一)):(我)归纳CPW存根: μm; μm; μm;(2)interdigital电容器: μ米, μ米, μ米, μm和数字的数量:10。

也在这个频率,CRLH细胞的长度实现波长条件下 μm≪ μm。

天线是在400处理μ米厚的硅晶片( 5 kΩcm)的电阻率。通过热氧化硅表面生长1μ米厚的SiO2层( )。金属化是通过蒸发4.000 Au / 500 Cr,利用硅的可能性与活跃的设备功能集成电路。

两种工艺处理方法尝试:(i)标准湿蚀刻光刻和(2)激光消融。

3.3。技术方法

标准光刻作为天线的技术处理由光致抗蚀剂沉积、掩蔽,曝光,发展,湿蚀刻;光致抗蚀剂去除。

四分之一的硅片支持一些CRLH天线结构,发现Microtec薄片上67 GHz探针针尖接触天线喂线为了测量共振频率和回波损耗呈现在图2(一个)。在图2 (b)的布局CRLH细胞指状组合型的电容和电感线。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
硅晶片天线结构(a)和光学显微镜照片显示CRLH细胞(b)之一。

关于光刻,这种技术能够提供优秀的微波设备的布局。一个缺点是金属线over-etching的趋势。在我们的实验中有必要应用设备的校正因子面具设计为了保持比10μ米/ 5μ米金属手指宽度和空间之间的金属的手指

为了获得设备激光烧蚀应用两步工艺流程。第一步是删除标准光刻过程从大面积的金属,如信号间的缝隙线和地面的飞机。为此,一个面具没有interdigital电容器设计。第二步由跟踪的细节指状组合型电容器差距通过激光烧蚀。

直接激光写作(DLW)方法实现microprocess Au / Cr在硅层蒸发。样品被紧紧聚焦激光烧灼200 fs的飞秒激光脉冲持续时间、775 nm波长,数万nanojoules脉冲能量,和2千赫重复率。二维结构根据精确的计算机控制算法生成翻译下面的示例与分辨率1μm。

图3(一个)显示了光刻后天线布局的第一步。可以观察到接地线形成感应存根和指状组合型电容器的地区要通过激光烧蚀加工。图3 (b)显示了同一地区电容器后通过激光烧蚀加工方法。一个良好定义的线可以观察到:线条是直和舍入角落是最小的。几何是准确的。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
CRLH天线后第一步(a)和SEM图像CRLH细胞后的第二步激光消融技术(b)。

通过应用这两个步骤的过程,我们可以受益于快速和具有成本效益的标准光刻过程中保持良好的准确性对于较大的几何图形(几十或几百个微米)和高度精确但是耗时激光烧蚀过程中为了获得细节(细微的和submicronic几何图形)。

然而,这项技术并不保留由于以下缺点:在去除金属材料的激光消融云是遍布interdigital电容器结构,包括两个数字之间的空间。这些金属颗粒可能会观察到在图3 (b)以及白点SEM图像如图4。这种污染极大地提高设备的损失。


图4
技术的缺点:金属颗粒熔化的地区传播。

后获得的晶片上天线结构和测量共振频率和回波损耗,硅片是丁的磨料金刚石砂轮工具,从而获得独立的天线芯片。这些离散结构安装在专用的测试装置来测量天线的方向性特点和收益。两个这样的丁CRLH天线呈现在图5(一个)而在图5 (b)可以看到两种结构安装在测试装置。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
离散CRLH天线结构在切割后(a)和安装在一个专门的测试夹具(b)。

应该注意的是,天线用于应用程序要求缺乏金属层的硅片。同时,越来越多的硅片Suss Microtec查克工作以及安装测试装置上的天线结构可能激发CPWG模式而不是数据,由于存在金属天线作为下面地平面。数据模式的线路阻抗是47.12Ω而的线路阻抗是44.85ΩCPWG模式。这种差异2.27Ω并不显著影响设备测量的结果。

4所示。测量和实验结果

4.1。测量技术

CRLH天线的电特性、回波损耗、共振频率、辐射特性,得到测量。

回波损耗和共振频率测量薄片上利用特制的37397 d矢量网络分析仪,配备从发现Microtec PM5设置。在图2(一个)它可以看到两个Microtec薄片上67 GHz探针针尖接触CRLH天线喂线为了测量共振频率和回波损耗。

辐射特性测量的频率发生器安捷伦E8257D和频谱分析仪特制MS2668SC,都有完整功能CRLH天线频率范围。测量飞机横向平面( )和纵向平面( ),因为他们在图中定义6。


图6
横向(θ)和纵向(φ)测量飞机。

测量设置包括,天线架如图7−之间可能旋转90°,横向+ 90°(θ)和纵向(φ)飞机。发射装置是CRLH天线和接收设备是使用两个频率适当的喇叭天线连接到频谱分析仪。发射CRLH天线之间的距离和接收喇叭天线的衍射屏是100毫米。测量功率在接待平均50岁以上的测量。


图7
CRLH天线测量设置:测量的细节安排。

天线增益是获得使用两个相同的天线的弗瑞德关系(1): 在哪里 由发射天线传播的力量, 权力在接收天线, 对各向同性天线增益; 波长, 发射和接收天线之间的距离。在这种情况下,发射和接收天线是相同的,这样得到的设备都是一样的, 。(dBi)表达的获得:

获得测量设置如图8使用相同的工具用于前面的描述,天线持有者的安排适合使用的弗瑞德关系(2)。


图8
测量设置CRLH天线增益。
4.2。实验结果27 GHz CRLH天线

仿真天线反射损失的# 1是由IE3D Zeland软件在24 GHz-30 GHz频段之前获得几何呈现在图9。仿真结果表明返回的损失 后的频率 GHz。


图9
模拟CRLH天线的回波损耗在24到30 # 1 GHz频率域。

共振频率和回波损耗的测量结果CRLH天线# 1样本呈现在图10。


图10
CRLH天线的回波损耗测量# 1 24 GHz之间的频率扫描和30兆赫。

从图10可以看出回波损耗和共振频率 后 GHz。频率略低于模拟回波损耗也小。此外,天线带宽大于模拟。

辐射特性在横向平面上(θ)的27个GHz CRLH天线如图11在接收功率在不同角度最大接收功率值归一化。从图11你可以看到−3 dB波束宽度约之间的辐射特性 意义的波束宽度37°。


图11
在横向平面辐射模式( CRLH天线# 1的样本 GHz。

二次辐射叶振幅低于0.3的主要辐射波瓣最大值和发生在大约40°±的角度。

为了完成描述天线的辐射能力,辐射特征在纵向平面( ),测量。结果如图所示12在不同角度的辐射功率( )飞机−70°之间,+ 90°是策划。所有的测量功率值P( )被评为价值P(0°),测量功率在一个点位于线正常天线中心 = 0°。


图12
在纵向平面辐射模式( )CRLH天线样品# 1 GHz。

从图12一个可能会发现辐射特征在纵向平面倾斜方向前进,最大辐射功率发生在一个角度 。向后方向的辐射功率减少二次辐射波瓣 。

CRLH天线获得被评估 GHz,测量数据: 毫米, 毫米,权力在发射天线: mW,权力在接收天线 mW。通过应用关系(2),结果显示 dBi。值得注意的是,由于纵向倾斜方向向前辐射特征,测量天线校准的设置(见图8)调整使两天线最大辐射的脸。

4.3。实验结果为38.5 GHz CRLH天线

仿真CRLH天线的反射损失35 GHz-45 GHz频段# 2是由中科专用软件。图中给出的仿真13表明,工作频率 GHz,天线的回波损耗 dB。


图13
天线的回波损耗仿真CRLH # 2 35 GHz-45 GHz频率域。

谐振频率的测量,回波损耗,辐射特性,获得了使用相同的设置和方法之前。回波损耗和共振频率测量薄片上和辐射特性和增益天线结构,安装在专用测试夹具,如图5 (b)。

测量 在35 GHz-45 GHz频率范围呈现在图14。


图14
返回损失 11和频率两个CRLH天线样品# 2。

它可能是观察到的回波损耗 dB在共振频率38.82 GHz表示辐射结构的一个很好的匹配。此外,的值 参数低于−20 dB中可观察到的一个相当大的扩展从36.12 GHz 41.08 GHz频率带宽。

横向的辐射特性(θ)平面呈现在图15接收到的权力在不同的角度被规范化域中的最大功率值吗 (−90°- + 90°)。


图15
在横向平面辐射模式(θ# 2)CRLH天线样品 GHz。

−3 dB波束宽度约。17°和侧叶出现在约。±50°振幅相比低了~ 6 dB主瓣。

测量,同时,在 在纵向平面GHz ( )CRLH天线样品# 2。结果如图所示16辐射功率在不同角度绘制。所有的接收功率值是评价的价值P(0°)意思接收功率的测量值在一个点位于线正常天线中心 。


图16
在纵向平面辐射模式( )CRLH天线样品# 2 GHz。

# 2天线增益获得如前所使用的弗瑞德关系(2),测量设置一样的图8。获得被评估在频域中38 GHz-39 GHz。在这个频率域获得 dBi 38 GHz dBi 38.6 GHz。获得的最大价值 dBi在 GHz地点: 毫米, 毫米,权力在发射天线: mW,权力在接收天线 mW。与天线的数据获得# 1 (27 GHz)匹配更好,方向性越高,束宽度较小。然而,测量增益天线的天线# 2小于# 1由于增加损失在更高频率发射和接收天线的测量链。

5。结论和评论

两个佐尔毫米波CRLH CPW天线在硅衬底上两个不同频率mm-wave域( GHz和 GHz)设计、加工和测量两个集成电路的一部分。

5.1。结果27个GHz CRLH CPW天线

测量回波损耗和共振频率天线样品# 1: 后 GHz展示良好的协议与模拟数据。3 dB波束宽度的辐射叶约。37°。关于增益,计算值使用的弗瑞德从测量数据的关系 dBi在 GHz。

5.2。结果38.5 GHz CRLH CPW天线

的38.5 GHz CRLH天线# 2样品,测量回波损耗 后 GHz显示良好的符合模拟数据和表示,另外,一个很好的匹配的辐射结构。回波损耗值低于−20 dB中可观察到的频率带宽扩展从36.12 GHz 41.08 GHz。−3 dB波束宽度的辐射叶约。17°。

获得在频域 dBi在 GHz和 dBi在 GHz。此外,获得约。常数的38个GHz 38.6 GHz频率域。获得最大的价值 dBi是获得 GHz。

CRLH天线样品有一个小的频率差异计算谐振频率和一个最好的回波损耗测量工作频带。这些差异是由于金属层在蚀刻设备处理步骤。这些差异在第二技术消除由适当改变面具布局。同时,一些由于发生差异时,回波损耗和CRLH天线结构的共振频率测量薄片上和增益天线的辐射特性进行评估结构安装在测试夹具。力学和天线结构接触到测试夹具连接器生成这个轻微的频率位移。然而,结果是保留那些从薄片上测量获得,因为天线集成在硅衬底和工作不是单独封装设备。