毫米波MEMS天线研究

论文摘要

近几年来,随着智能手机等无线终端设备的普及,人们对无线通讯也提出了更高的要求,如:功耗低、传输速度快、体积小等。在集成电路线宽向着65nm发展的今天,大部分射频电子元器件都能在集成电路上实现,如:电阻,电容,传输线等。但是作为自由空间与导波装置之间连接元件的天线却还未能达到集成化制造的程度。天线是整个无线通讯系统中尺寸最大的一个,天线性能的好坏影响着移动设备的功耗、传输质量等功能。同时,由于卫星通信的发展和无线电频道的日益拥挤,无线电技术朝越来越短的毫米波、亚毫米波方向发展。在毫米波波段,波长变短,对加工精度的要求也相应的提高了,传统的精密机械加工已经不能满足这样的高精度要求了。因此,集成化的天线设计以及高精度的天线加工技术成为研究人员关注的重点。MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）微细加工技术是半导体平面加工技术;此外,MEMS微细加工具有微米级的加工精度,完全能够用于集成化毫米波天线的加工。本文在传统平面贴片和缝隙天线基本理论的基础上,结合三维非硅MEMS微加工工艺的高精度、可立体加工、高集成度等特点,提出了三种新型MEMS毫米波天线,使用有限元仿真工具,对每种天线设计进行了系统全面的仿真优化,并最后确定了天线尺寸参数,进行了加工制作以及测试验证。设计一研究了一种工作在Ka波段,微带共面缝隙耦合馈电,利用3dB电桥移相器实现圆极化,基于MEMS微加工工艺的圆极化微带天线。可以在不改变贴片与馈线本身的尺寸且无需额外增加匹配网络的情况下,经过调节耦合缝隙宽度以及3db电桥移相器端口调配枝尺寸,两级调节圆极化天线的阻抗匹配,显著的改善了辐射单元与微带馈线的阻抗匹配度与可调性,结构简单,圆极化效果好。设计的天线中心频率为35GHz,增益为6.86dB,阻抗带宽（驻波比≤2）为4GHz,约11.4%,轴比带宽（AR≤3）约为5.9GHz,约16.9%,实现了较高的增益与带宽。设计二研究了一种基于MEMS微加工技术制作,共面波导馈电的单向宽带毫米波平面缝隙天线。辐射单元采用平面矩形缝隙,可实现约80%的阻抗带宽（驻波比≤2）,通过增加波束引导缝隙和多层反射截止缝隙,基本实现了单向辐射,增益可由原来的3.8dB提高到约为6.8dB。该设计充分利用了三维非硅微加工的技术特点,同时巧妙融合了贴片天线和缝隙辐射的一系列性质,是一种有明显创新特色的毫米波小型宽带天线设计形式。设计三提出了一种新型共面波导馈电的单向宽带圆极化毫米波平面缝隙天线的设计。天线基于MEMS三维微加工技术制造,具有多层结构与三维悬空结构。辐射部分通过新型的短路微扰法实现了平面圆环形缝隙天线的单馈宽带圆极化,驻波比≤2时的实测阻抗带宽达到约20%,AR<2时的轴比带宽约为17.6%。并提出了一种新型近似理想磁导体表面——截止波导反射缝隙结构作为电磁波反射表面。通过增加新型的波束引导缝隙结构与截止波导反射缝隙结构,在实现了平面化、低剖面与宽频带、圆极化目标的同时,缝隙天线的增益可由原来的约5.2dB提高约为7.5dB,解决了平面缝隙天线单向辐射,提高增益的问题。天线阵列相对于单元结构更容易获得高增益和低副瓣,且结构相对紧凑,因而广泛应用在雷达和微波通信系统中。因此最后本文研究了基于前面提出的天线单元采用并馈网络组成的1×4以及2×2两种四元阵列天线。根据激励要求和阵列结构结合阵列各单元的激励幅度和相位值进行馈电网络的设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪言
• 1.1 微机电系统（MEMS）的研究进展
• 1.2 射频微机电系统（RF MEMS）的概况
• 1.3 MEMS 天线
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 适用于毫米波系统的非硅基三维微加工技术研究
• 1.4.2 薄膜缝隙或贴片天线整体设计
• 1.4.3 天线增益特性、带宽特性的仿真优化
• 1.5 本章小结
• 第二章 MEMS 微加工工艺
• 2.1 体微加工技术
• 2.1.1 刻蚀
• 2.1.2 薄膜生长技术
• 2.1.3 掺杂
• 2.1.4 键合技术
• 2.2 表面微机械加工工艺
• 2.3 LIGA 工艺
• 2.4 光刻工艺
• 2.5 其它加工工艺
• 2.5.1 微细电火花加工
• 2.5.2 蒸镀
• 2.5.3 化学气象淀积（CVD）
• 2.6 面向毫米波天线辐射元加工需求的三维非硅微加工技术
• 2.6.1 加法工艺和减法工艺
• 2.6.2 通用性图形化微加工工艺
• 2.6.3 大悬空高度牺牲层技术
• 2.6.4 工艺选择小结
• 第三章 平面型天线的基本理论
• 3.1 天线基本概念
• 3.2 天线基本辐射原理
• 3.2.1 振荡偶极子辐射机理分析
• 3.2.2 无穷小偶极子的辐射场计算
• 3.3 平面型天线的基本原理
• 3.3.1 微带（贴片）天线的基本概念
• 3.3.2 微带（贴片）天线的辐射原理
• 3.3.3 微带天线分析方法
• 3.4 微带天线的馈电方法
• 3.4.1 微带线共面馈电
• 3.4.2 同轴馈电
• 3.4.3 临近耦合馈电
• 3.4.4 口径耦合馈电
• 3.4.5 共面波导馈电
• 3.4.6 不同馈电方式的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 共面耦合式圆极化微带天线
• 4.1 天线设计
• 4.1.1 线极化天线结构
• 4.1.2 圆极化天线结构
• 4.2 仿真结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 单向宽带平面矩形缝隙天线
• 5.1 天线设计
• 5.2 仿真结果与分析
• 5.2.1 辐射单元结构
• 5.2.2 反射结构
• 5.2.3 波束引导结构
• 5.3 天线样品与微加工工艺流程
• 5.4 本章小结
• 第六章 具有多层结构的单向宽带圆极化平面MEMS 缝隙天线
• 6.1 天线设计
• 6.2 微加工工艺方法
• 6.3 天线原理分析
• 6.3.1 新型短路微扰法实现平面圆环形缝隙天线的单馈圆极化
• 6.3.2 利用截止波导缝隙结构实现电磁波的反射
• 6.4 仿真与测试结果
• 6.4.1 天线的反射损耗与轴比的仿真与实测结果
• 6.4.2 天线增益与方向图的仿真与实测结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 四元圆极化阵列设计
• 7.1 1×4 四元阵列
• 7.1.1 1×4 四元阵列结构
• 7.1.2 1×4 四元阵列带宽与圆极化结果
• 7.1.3 1×4 四元阵列辐射增益与方向性
• 7.1.4 单向1×4 四元阵列
• 7.2 2×2 四元阵列
• 7.3 本章小结
• 第八章 展望与总结
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 攻读学位期间申请的专利目录
• 参考文献