MEMS宽带毫米波天线阵列研究（学位论文-工学）.docx

上 海 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文MEMS 宽带毫米波天线阵列研究学 校 ： 上 海 交 通 大 学院 系 ： 微 纳 科 学 技 术 研 究 院班 级 ： B0734091学 号 ： 1073409023硕 士 生 ： 宿 智 娟导 师 ： 丁 桂 甫上海交通大学微纳科学技术研究2010 年 1 月A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for theDegree of MaserResearch of MEMS Broadband Millimeter WaveAntenna ArrayAuthor： Zhijuan SuSpecialty: Microelectronics and Solid-state ElectronisAdvisor: Prof. Guifu DingResearch Institute of Micro/Nano Science and TechnologyShanghai Jiao Tong UniversityShanghai, P.R.ChinaJanuary, 2010MEMS 宽带毫米波天线阵列研究摘 要毫 米 波 是 指 波 长 范 围 为 1 厘 米 到 1 毫 米 范 围 内 的 电 磁 波 ， 其 对 应 频 段 为30GHz-300GHz。

工 作 在 毫 米 波 段 的 无 线 通 信 设 备 可 以 充 分 利 用 该 波 段 宽 带 大 的 优 势来 满 足 高 速 通 信 的 要 求 ； 此 外 ,毫 米 波 收 发 器 件 易 于 与 微 波 单 片 电 路 集 成 使 得 射 频 电路 的 小 型 化 可 集 成 成 为 可 能 ； 毫 米 波 与 红 外 波 段 和 光 波 段 相 比 受 恶 劣 天 气 干 扰 小 ， 因而 更 适 合 无 线 通 信 天 线 是 无 线 通 讯 的 核 心 部 件 ， 毫 米 波 天 线 具 有 尺 寸 小 、 结 构 紧 凑的 优 势 ， 但 同 时 能 够 保 证 天 线 的 高 定 向 性 ， 这 使 得 其 可 用 于 高 分 辨 率 的 雷 达 通 信 和 集成 导 航 设 备 共 面 波 导 馈 电 的 平 面 缝 隙 天 线 由 于 其 重 量 轻 、 剖 面 低 、 易 于 与 单 片 集 成电 路 和 固 态 有 源 器 件 集 成 等 优 势 而 成 为 毫 米 波 波 段 天 线 的 首 选 由 于 天 线 的 特 征 尺 寸要 与 波 长 相 当 ， 毫 米 波 天 线 对 加 工 精 度 的 要 求 也 因 为 波 长 变 短 而 相 应 提 高 ， 另 外 ， 为了 达 到 展 宽 带 宽 等 性 能 要 求 ， 在 二 维 平 面 内 其 结 构 也 变 得 更 为 复 杂 ， 并 出 现 向 低 剖 面三 维 结 构 发 展 的 趋 势 ， 因 此 传 统 的 精 密 机 械 加 工 已 经 不 能 满 足 这 样 的 高 精 度 集 成 要求 ， 必 须 探 索 新 的 制 造 方 法 。

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技 术 不 仅 具 有 类 似 IC 工 艺 的 平 面 集 成制 造 能 力 ， 同 时 它 还 兼 容 了 微 米 甚 至 纳 米 级 精 度 的 三 维 微 结 构 制 造 ， 三 维 非 硅 微 加 工技 术 更 可 以 同 时 兼 容 多 种 材 料 的 集 成 制 造 ， 提 供 了 满 足 上 述 精 确 多 元 集 成 制 造 需 求 的最 具 可 行 性 的 新 技 术 途 径 本 文 意 在 结 合 三 维 非 硅 微 加 工 技 术 的 特 点 ， 从 结 构 灵 活 构 造 方 面 开 展 低 剖 面 毫 米波 缝 隙 天 线 阵 列 设 计 方 法 创 新 研 究 ， 探 索 MEMS 加 工 技 术 与 毫 米 波 天 线 有 机 结 合 的有 效 方 式 为 此 目 标 ， 分 别 提 出 了 几 种 基 于 三 维 微 结 构 集 成 的 毫 米 波 宽 带 缝 隙 天 线 阵列 创 新 设 计 ， 利 用 Ansoft-HFSS 有 限 元 仿 真 软 件 ， 对 创 新 设 计 的 天 线 阵 列 进 行 了 系 统性 仿 真 分 析 和 结 构 参 数 优 化 ， 并 基 于 三 维 非 硅 微 加 工 技 术 开 发 了 相 应 的 集 成 制 造 工 艺流 程 ， 成 功 研 制 了 一 种 典 型 的 阵 列 天 线 样 品 ， 完 成 了 关 键 性 能 测 试 ， 达 到 了 预 期 的 目标 。

设 计 一 提 出 了 一 种 由 共 面 波 导 并 联 馈 电 网 络 馈 电 的 2×2 四 元 天 线 阵 列 ， 馈 电 网络 的 T 型 转 弯 处 通 过 架 设 空 气 桥 来 抑 制 奇 模 态 的 产 生 ， 从 而 保 证 了 传 输 网 络 的 低 损耗 ， 该 设 计 中 引 入 了 切 口 调 节 支 来 调 节 阻 抗 匹 配 ， 测 试 结 果 表 明 该 天 线 阵 列 的 工 作 带I宽 约 为 30GHz-39.6GHz （ S11<-10dB） ,中 心 频 率 为 35GHz， 相 对 带 宽 为 27.4%， 与仿 真 结 果 吻 合 较 好 ， 仿 真 得 出 在 整 个 工 作 带 宽 上 ， 增 益 均 保 持 在 8.5dB-10dB 之 间 ；设 计 二 在 双 向 辐 射 的 天 线 阵 列 基 础 上 引 入 了 带 圆 形 孔 的 金 属 反 射 板 ， 分 析 并 优 化了 金 属 板 尺 寸 对 天 线 回 波 损 耗 及 增 益 性 能 的 影 响 ， 仿 真 结 果 表 明 天 线 阵 列 实 现 了 单 向辐 射 ， 在 35GHz 处 增 益 达 到 12.2dB, 当 S11<-10dB 时 工 作 带 宽 为 34.4GHz 到35.9GHz；设 计 三 在 上 述 基 础 上 ， 进 一 步 优 化 参 数 ， 力 求 实 现 单 向 辐 射 宽 带 天 线 阵 列 ， 改 进后 的 结 构 仿 真 得 出 的 阻 抗 带 宽 为 31.6GHz 到 39.2GHz (S11<-10dB)， 相 对 带 宽 为21.7%（ 中 心 频 率 35GHz） ， 增 益 为 11.6dB， 在 保 证 了 天 线 单 向 辐 射 较 高 增 益 的 同 时 ，实 现 了 宽 带 的 性 能 。

关键词：M EMS 天 线 ， 共 面 波 导 馈 电 网 络 ， 天 线 阵 列 ， 缝 隙 天 线 ， 微 机 电 系 统IIResearch of MEMS Broadband Millimeter Wave Antenna ArrayABSTRACTMillimeter wave is defined as electromagnetic wave whose wavelength falls in therange of 1 centimeter to 1 millimeter, and the frequency is from 30GHz to 300GHz.Wireless communication applications working in the millimeter wave band can utilized itsbroadband advantages to achieve high speed data transmission. Millimeter wavetransmitters and receivers are easy to be integrated with monolithic microwave circuits,which make the Miniaturization and compactibility of RF integrated circuit into possible.Millimeter waves can travel through severe weather much more readily than infrared oroptical waves, which make itself a more suitable candidate for wireless communication.Antenna is the corn component of wireless communication applications. Millimeter waveantennas have merits of small size and compact configuration, meanwhile, its highdirectivity make itself to be used for high-resolution radar and compact guidance systems.Coplanar waveguide (CPW) fed slot antennas are preferable candidates for millimeterwave application, owing to their light weight, low profile and compatibility withmonolithic integrated circuits and active solid-state devices. Due to its feature sizecomparable with wavelength, millimeter wave antenna has a high request for fabricationprecision, besides, in order to achieve high performance in bandwidth, complicatedconfiguration in two dimension plane has been introduced in antenna design, and alsosome low profile 3 dimension structures. Traditional precise machining can’t meet therequirements of the high precision integration of millimeter-wave fabrication. We mustexplore integrated fabrication process which is more suitable.MEMS technology has got the advantage of planar integrated fabrication which alsobelongs to the IC technology, furthermore, it compatible with three dimensionsmicromachining process which has the accuracy of 1 micron, or even nano scale, and it canintegrate the process of multi-materials. It provides a method to satisfy the requirement ofIIIprecis。