MEMS寬帶毫米波天線陣列研究.pdf

1、毫米波是指波長(zhǎng)范圍為1厘米到1毫米范圍內(nèi)的電磁波,其對(duì)應(yīng)頻段為30GHz-300GHz。工作在毫米波段的無線通信設(shè)備可以充分利用該波段寬帶大的優(yōu)勢(shì)來滿足高速通信的要求；此外,毫米波收發(fā)器件易于與微波單片電路集成使得射頻電路的小型化可集成成為可能；毫米波與紅外波段和光波段相比受惡劣天氣干擾小,因而更適合無線通信。天線是無線通訊的核心部件,毫米波天線具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì),但同時(shí)能夠保證天線的高定向性,這使得其可用于高分辨率的雷達(dá)通信和

2、集成導(dǎo)航設(shè)備。共面波導(dǎo)饋電的平面縫隙天線由于其重量輕、剖面低、易于與單片集成電路和固態(tài)有源器件集成等優(yōu)勢(shì)而成為毫米波波段天線的首選。由于天線的特征尺寸要與波長(zhǎng)相當(dāng),毫米波天線對(duì)加工精度的要求也因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)變短而相應(yīng)提高,另外,為了達(dá)到展寬帶寬等性能要求,在二維平面內(nèi)其結(jié)構(gòu)也變得更為復(fù)雜,并出現(xiàn)向低剖面三維結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì),因此傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工已經(jīng)不能滿足這樣的高精度集成要求,必須探索新的制造方法。MEMS(Micro-Electro-Mec

3、hanical Systems)技術(shù)不僅具有類似IC工藝的平面集成制造能力,同時(shí)它還兼容了微米甚至納米級(jí)精度的三維微結(jié)構(gòu)制造,三維非硅微加工技術(shù)更可以同時(shí)兼容多種材料的集成制造,提供了滿足上述精確多元集成制造需求的最具可行性的新技術(shù)途徑。本文意在結(jié)合三維非硅微加工技術(shù)的特點(diǎn),從結(jié)構(gòu)靈活構(gòu)造方面開展低剖面毫米波縫隙天線陣列設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新研究,探索MEMS加工技術(shù)與毫米波天線有機(jī)結(jié)合的有效方式。為此目標(biāo),分別提出了幾種基于三維微結(jié)構(gòu)集成的毫米

4、波寬帶縫隙天線陣列創(chuàng)新設(shè)計(jì),利用Ansoft-HFSS有限元仿真軟件,對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的天線陣列進(jìn)行了系統(tǒng)性仿真分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,并基于三維非硅微加工技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)的集成制造工藝流程,成功研制了一種典型的陣列天線樣品,完成了關(guān)鍵性能測(cè)試,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。設(shè)計(jì)一提出了一種由共面波導(dǎo)并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)饋電的2×2四元天線陣列,饋電網(wǎng)絡(luò)的T型轉(zhuǎn)彎處通過架設(shè)空氣橋來抑制奇模態(tài)的產(chǎn)生,從而保證了傳輸網(wǎng)絡(luò)的低損耗,該設(shè)計(jì)中引入了切口調(diào)節(jié)支來調(diào)節(jié)阻抗匹配,測(cè)

5、試結(jié)果表明該天線陣列的工作帶寬約為30GHz-39.6GHz (S11<；-10dB),中心頻率為35GHz,相對(duì)帶寬為27.4%,與仿真結(jié)果吻合較好,仿真得出在整個(gè)工作帶寬上,增益均保持在8.5dB-10dB之間；設(shè)計(jì)二在雙向輻射的天線陣列基礎(chǔ)上引入了帶圓形孔的金屬反射板,分析并優(yōu)化了金屬板尺寸對(duì)天線回波損耗及增益性能的影響,仿真結(jié)果表明天線陣列實(shí)現(xiàn)了單向輻射,在35GHz處增益達(dá)到12.2dB,當(dāng)S11<；-10dB時(shí)工作帶