[发明专利]一种高阻硅基底高频微带天线

说明书

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，特别是一种采用高阻硅作基底、基底背面设有正四棱锥台形空气槽的X波段微带天线；该天线既具有高效率、高增益、高功率，又易于集成组成阵列式微带天线，可广泛用于渔船导航、深空通信、常规弹药智能化改造等技术领域。

背景技术

目前在常规深空通信、民用渔船导航、弹药智能化改造、无人机通信等方面，对设备的轻型化、即小体积、重量轻、功耗低、数字技术等均有较高的要求。从二十世纪五十年代微带天线概念的提出，到七十年代实用微带天线的研发制造，至八十年代微带天线在理论与应用上的进一步发展。至今，由于MEMS技术的发展，微带天线凭借其剖面薄、体积小、重量轻、具有平面结构、成本低等优点外，还可以与射频前端集成在一起，提高的系统的稳定性和可靠性，易于大批量生产等优点；而在航空航天飞行器、移动通讯设备、手持通讯设备中都有良好的表现。

常规微带天线的基底一般采用聚四氟乙烯、陶瓷等材料制作，采用这些材料作基底，一是效率低、不能作高功率微带天线，二是难以小型化，也不便于集成等缺陷；若采用高阻硅作微带天线的基底，高阻硅微带天线虽然较之以低介电常数作基底（如聚四氟乙烯等）的贴片天线具有高功率，高度集成，可小型化的优势。但是高阻硅材料的介电常数高，位于高介电常数基底上的贴片天线由于表面波的损耗大、辐射效率很低，且频率带宽极窄，而且当频率变高时这种情况更加突出，从而导致贴片天线的增益和效率下降，这也就阻碍了高阻硅作为基底材料在微带天线中的有效应用。本申请人为了充分利用高阻硅为基底的微带贴片天线具有的高功率，高集成度，小型化的优势；而克服其表面波的损耗大、辐射效率很低，频率带宽极窄等缺陷。在对采用高阻硅为基底的微带贴片天线进行深入研究的基础上，于2013年8月4日在日本召开的“机械工程及自动化国际会议”上，发表了名称为“The Inversion law in MEMS Microstrip Array Antenna Manufacturing”（中文名：以MEMS为制造基础的阵列式微带天线的反演规律）的论文。该论文公开了一种工作在4.5GHz（C波段）的微带天线。该微带天线采用电阻率为20000ohm·cm、介电常数为11.9的高阻硅作基底，厚度为500μm；为了降低辐射贴片下方介质基底的介电常数，该文针对辐射贴片为正方形，而采用ICP刻蚀技术将正对辐射贴片下方高阻硅基底的背面刻蚀出一个深度为250μm与辐射贴片形状匹配的正方形空气槽，从而使辐射贴片与含空气槽在内的区域内的基底形成“空气—高阻硅”复合基底，其介电常数即为空气、高阻硅两者的复合介电常数；该技术由于在正对辐射贴片下的基底内增设了空气槽，从而使辐射贴片与含空气槽在内的基底的介电常数由11.9降低为1.84；该天线工作在4.5GHz频段时的电压驻波比VSWR=1.26、增益为8.134dB、辐射效率为0.683，并可灵活方便地组成阵列。但是要在高阻硅基底的背面刻蚀出与辐射贴片匹配的正方形空气槽，只能采用目前较为先进的ICP刻蚀方法（即干法刻蚀）。但因高阻硅电阻率太高，设备的参数不易控制，一般刻蚀到40μm以上后由于刻蚀废弃物堆积成掩蔽层而导致刻蚀很难顺利进行，且刻蚀完成后空气槽顶面的平整度也很差；生产实践证明采用ICP刻蚀6.20mm×6.20mm平面的高阻硅，当刻蚀深度达100μm以上时，其高度差（不平度）达10μm（±5μm），经电性能测试表明该不平度严重影响了微带天线的性能；此外ICP刻蚀还存在刻蚀速率（仅3μm/min）及生产率低，成品率低、加工成本高，无法实现规模化生产等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，改进设计一种高阻硅基底高频微带天线，以达到在有效提高微带天线增益和辐射效率等电性能的基础上，简化加工工艺、提高加工质量、生产率和成品率，以及降低生产成本，充分满足规模化生产的要求等目的。