文摘

介绍了设计和实现两个高增益Quasi-Yagi印刷天线上开发硅衬底94 GHz成像应用。该天线是基于驱动循环或偶极子天线由共面波导(CPW)供给结构。为了更好的与驱动天线匹配,匹配的部分添加了CPW馈线和天线驱动的元素。改善循环或偶极子天线的增益,地面反射器和寄生导演元素添加了。两个Quasi-Yagi天线原型基于循环和偶极天线元素已经被制造和实验测试使用w频段探测站(75 - 110 GHz)。测量结果与仿真结果显示良好的协议并确认该天线工作。此外,饲料和匹配的配置提出了使耦合microbolometer因素提出Quasi-Yagi天线设计进行辐射测量模式。

1。介绍

近年来,印刷Yagi-Uda天线吸引了更多的兴趣与许多应用在雷达、毫米波成像(毫米波),无线通信系统,相控阵列,等等。这是因为他们有很多优势,如宽的带宽、高增益、低成本、end-fire辐射模式,与其他微波和易于制造和集成电路。1982年,首次介绍了印刷Yagi-Uda天线(1]。它由一个驱动的元素,一个反射器,和一个或多个董事创建end-fire辐射特征。目前,许多研究人员对重大努力想出几个平面八木和Quasi-Yagi天线设计,以改善他们的表现(2- - - - - -17]。获得宽操作带宽的一个关键因素是设计一个适合这类天线的馈电结构。

不同美联储高增益Yagi-Uda与折叠偶极子天线介绍了饲料(2]。然而,它有一个更大的大小随着退化性能由于其复杂的结构。Quasi-Yagi天线带宽的74%,提出了一种增加4 - 8 dBi (3]。然而,不对称的天线也恶化他们的辐射性能。互补金属氧化物半导体晶体管(CMOS)技术用于设计CPW-fed片上Yagi-Uda天线操作60 GHz (4]。然而,一个非常低的增益为−10 dB。为了提高Quasi-Yagi天线的前后比,另一个设计提出了基于串联馈two-bowtie偶极子阵列(5]。为了减少Quasi-Yagi天线的大小,科赫介绍分形(Sierpinski)的偶极子元素(6]。在[7),为了达到八木天线的多波段操作,一个驱动的偶极子元素是使用派生的部分。另一个设计与实现宽带Quasi-Yagi天线带宽的46%由microstrip-to-slot线过渡提出(8]。在[9],Quasi-Yagi天线设计实现规模减少司机使用折叠偶极子的长度作为驱动元件。该天线具有实现操作带宽为1.3:1。宽带平面八木天线提出了对毫米波和亚毫米波探测器(10]。Quasi-Yagi天线60 GHz的另一个设计是基于遗传算法(GA)来实现带宽的16%11]。因为他们的高增益,电光(EO)无线millimeter-wave-lightwave信号转换器,提出了利用平面Yagi-Uda阵列天线耦合共振电极(12]。在[13),一种新的宽带平面Quasi-Yagi天线带宽的48%,增益为6.2 dB使用x形元素。60 GHz 0.18微分片上天线Quasi-Yagi捏造μ提出了m CMOS技术(14]。然而,实现带宽和增益只有−2.64 dB 33%。

在这篇文章中,两个不同Quasi-Yagi天线利用驱动循环或提出了偶极子天线。两个新天线设计,八木天线偶极子和循环八木天线,提出了制造和测量。拟议中的Quasi-Yagi天线使用椭圆环代替常规的偶极子是一个新颖的设计元素。截断的地平面天线作为transverse-electric表面波的反射器产生的司机。寄生董事是用来提高远期end-fire方向的辐射。小说饲料和匹配的配置提出了耦合microbolometer元素能够使一个简单的方法测量辐射模式。两天线样机制造和测试使用探测实验。我们也提出一个新颖的饲料和匹配配置允许耦合microbolometer元素提出了测量Quasi-Yagi天线辐射模式94 GHz。模拟和测量结果表明,该天线增益可以达到4 dBi和8.1 dBi原型I和II,分别。实现了波束宽度是大约25°27°飞机(°),大约51°54°飞机(分别°)原型I和II。天线辐射效率可以达到88%和77%为原型I和II,分别。其他w频段相比,毫米波天线制作在硅基板,我们的天线表现出相对较高的收益。

2。我提议的高增益Quasi-Yagi环形天线的原型

2.1。天线的几何形状和设计

的几何配置和结构的提出Quasi-Yagi环形天线样机我介绍了图1。提出了天线的顶视图和侧视图如图1(一)和1 (b),分别。天线是建立在二氧化硅(SiO₂)层()以上硅(Si)衬底。它由一个椭圆形状的环形天线驱动,地面反射器(大尺寸),和两个椭圆形状的寄生回路董事(小)在驱动天线。美联储天线使用共面波导(CPW)供给结构。改善之间的阻抗匹配驱动将馈线、天线和数据匹配的部分被利用。图1 (c)介绍了详细的视图匹配部分和CPW馈线。优化天线参数是使用广泛的参数计算研究和优化技术做的全波计算机仿真技术微波工作室(CST多工作站系统)软件程序18]。表1总结提出的优化尺寸Quasi-Yagi环形天线的原型。

2.2。天线制造

设计天线在385制作的μ米厚的高电阻率(Ω厘米)Si衬底。双方Si衬底上涂有1.2μm层SiO₂为目的的电气隔离。以下步骤进行制作印刷天线的结构。首先,一个200纳米层铝(Al)沉积在硅/ SiO₂衬底使用直流电(DC)磁控溅射在150瓦的电力,商会基地1.5×10的压力⁻⁶托,一个氩(Ar)的压力3毫托。Rohm & Haas S1813光刻胶然后旋转4500 rpm,持续60秒。4秒的光刻胶被暴露在175瓦的紫外线能量的波长365纳米光刻机使用一个NXQ 4004联系。接下来,结合光刻胶的开发和铝蚀刻过程使用Rohm & Haas MIF 319执行开发人员。发现铝蚀刻的Rohm & Haas MIF 319名开发人员的腐蚀速率0.51 nm / s,这是更多的实际使用Rohm & Haas MIF 319开发者对光刻胶的开发和铝腐蚀过程。Rohm & Haas MIF 319开发商申请9分钟产生抗拒免费和铝蚀刻区域。最后,剩下的光刻胶然后用丙酮去除。装配式Quasi-Yagi循环和偶极子天线数据所示1(一)和6分别(a)。

2.3。参数测量和仿真

的与频率测量进行使用级联Microtech PM8探针台与安捷伦E8361C网络分析仪附有N5260频率扩展器模块,67 - 110 GHz。Ground-signal-ground (GSG)无穷探针探针间距为75μ米,连接到频率扩展器模块,准确定位在数据结构,然后与频率测量进行了从80年到110 GHz频率扫描。

所有使用计算机仿真技术模拟进行了微波工作室(CST-MWS) [8),这被认为是一个商业和工业标准全波软件基于数值分析的电磁问题。测量和模拟曲线和频率的提议Quasi-Yagi环形天线样机如图2。

可以看出,模拟和测量之间的转移频率情况下也许是因为基质不是完全的准确的尺寸。此外,可能会有一些制造公差和校准错误。此外,衬底介电性能不正确建模春秋国旅在更高的频率。

2.4。辐射方向图测量和仿真

在这项工作中,我们提出了耦合的microbolometer饲料发达Quasi-Yagi环形天线进行辐射测量模式。为了这个目的,一种新型饲料和匹配部分配置了允许耦合microbolometer发达Quasi-Yagi环形天线。同时,提出设计保持类似的辐射模式特点原microbolometer-less Quasi-Yagi环形天线设计;这使一个适当的对比这两款设计。展示设计在图3显示了开发antenna-coupled microbolometer配置。优化参数发达microbolometer发现如下:2μ米,μ米,μm,μm。提出了设计,数据将馈线,喂养microbolometer天线信号,修改为包括允许偏压microbolometer广场垫。这个方形垫允许连接到一个microbolometer终端。第二个microbolometer终端将连接到地面反射器的一部分。债券电线将广场连接板和地面反射到外部芯片载体。

microbolometer材料将钛或铌(Nb) (Ti),他们都拥有合适的电阻率产生阻抗匹配负载的约束之内10μ饲料差距(),将代表microbolometer的长度。的宽度和厚度microbolometer结构将完全确定后续的精确描述电阻率可用的材料的制造。天线谐振电流将消散在microbolometer位于天线的饲料引起的焦耳加热microbolometer元素。这个电阻加热将导致microbolometer阻力变化。PIN开关将被用来调节microbolometer毫米波辐射事件。电阻变化将感觉到偏压microbolometer元素与恒流和监测电压的变化。使用锁定放大器的电压变化会被监控引用调制频率的入射辐射。

模拟天线辐射模式两种飞机(),飞机()在不同频率的90、92、94和96 GHz数据所示4(一)和4 (b),分别。此外,copolarization和交叉极化分量的辐射模式在两架飞机94 GHz Quasi-Yagi循环阵列天线模型II有或没有microbolometer计算和呈现在图5。从仿真结果如图所示,一个好的辐射模式是实现具有最大增益为6.5−7.4 dB的dBi和旁瓣水平飞机在94 GHz的频率。发现3 dB波束宽度大约51.2°;此外,天线前后的比率为12.1 dB。的辐射特性飞机并不像预期的那样,他们将使用提出改进Quasi-Yagi偶极子天线模型II。天线peak-realized增益和辐射效率计算在感兴趣的频段。在下一节中给出的结果与一个详细比较两个天线之间的原型。

3所示。拟议的高增益Quasi-Yagi偶极子天线模型II

3.1。天线配置

Quasi-Yagi偶极子天线模型II的示意图如图6。在这种情况下,驱动的元素是一个印刷偶极子和两个矩形形状的董事在它前面。优化后的天线参数列在下表中2。的原理图设计天线microbolometer呈现在图6(c),优化维度microbolometer同之前的设计。

3.2。测量和模拟结果

图7介绍了测量和模拟结果天线原型II。结果表明,有一个很好的协议之间的测量和模拟。天线展览一个好的−10 dB阻抗匹配带宽从86 GHz超出110 GHz值比−48分贝94 GHz。

模拟天线辐射计算模式也和呈现在图8。copolarization和交叉极化分量(),()飞机在94 GHz给出数据8(一个)和8 (b),分别。如图,良好的辐射水平最大正交偏振的模式是实现−14.2 dB和−14.8 dB 94 GHz和飞机,分别。天线也展览最大增益为7.5−8.8 dB的dBi和旁瓣水平在94 GHz的频率。发现3 dB波束宽度大约53.8°;此外,天线前后的比率为15.74 dB。

在模拟copolarization和交叉极化辐射模式飞机,飞机在Quasi-Yagi GHz的偶极子阵列天线样机二世有无microbolometer如图9。

图10介绍了peak-realized获得提出的两个天线的设计。peak-realized增益的天线II是高于我对整个频段的天线提出了操作。计算天线辐射效率发现大约从59%到88%不等的天线提出了我和从52%增加到77%的提议天线二世在整个乐队的兴趣。

3.3。比较与其他相关工作

表3介绍了其他相关的性能比较芯片上的八木天线的设计在文献中报道。该天线设计有良好的性能相比其他工作。

4所示。结论

两个Quasi-Yagi天线设计在硅基板94 GHz成像应用程序设计,组装,然后测试。第一个设计使用一个驱动元素的椭圆形状的环形天线椭圆形状的循环董事前驱动天线。其他设计利用偶极天线与矩形形状的贴片董事在它前面。本文还介绍了一种新型天线馈电和匹配的配置,促进了耦合microbolometer元素发达Quasi-Yagi天线设计。拟议中的antenna-coupled microbolometer设计将允许执行提出Quasi-Yagi天线辐射方向图的测量。超过24 GHz的阻抗带宽达到94 GHz的中心频率非常合理获得以上4 dBi和8.1 dBi原型I和II,分别在整个乐队的操作。天线辐射效率被发现在59%和88%之间的天线提出了我和提出天线二世的52%和77%。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究支持阿卜杜勒·阿齐兹国王科技城(KACST)射频技术创新中心和光子学e-Society (RFTONICS)在沙特国王大学主办。