смесителя Хеслера: изготовленного из металла в виде микросистемы (Phipps, 1999).

Процесс изготовления смесителя состоит из формирования рупора, чаще всего методом травления кремния; формирования волновода и структуры канала, а также выравнивания выводов при помощи фоторезиста SU-8; нанесения слоя золота и нарезания кристаллов из пластины. Прямоугольное отверстие рупора формируется на кремнии методом травления (Phipps, 1999)

при помощи EDP (этилен-диамин- пирокатехол) и воды. Структура смесителя изготавливается из эпоксидного фоторезиста SU-8. На подложку напыляется хром и золото для формирования затравочного слоя, сверху которого электролитическим способом наносится 2 мкм слой золота. После чего подложка разрезается и используется для формирования смесителя, показанного на рис. 7.24. На рис. 7.25 показана диаграмма направленности рупорной микроантенны.

Рис. 7.23. Микросмеситель и исходный смеситель Хеслера. Репродукция из книги E.S. Phipps, 1999, Mi-cromachined waveguide components for submiOimeter-wave apphcations , masters thesis. University of Virginia, Charlottesville, VA с разрешения University of Virginia

Рис. 7.24. Микросмеситель. Репродукция из книги E.S. Phipps, 1999, Micromachined waveguide components for submillimeter-wave applications*, masters thesis, University of Virginia, Charlottesville, VA с разрешения University of Virginia ,

у -10 --

-20--

-30--

-60 -40

-20 О 20

угол падения, градус

-в- поляризация в плоскости Н - поляризация в плоскости D

-V- поляризация в плоскости Е плоскость D, перекрестная поляризация

Рис. 7.25. Экспериментально определенная диаграмма направленности рупорной антенны. Репродукция из книги E.S. Phipps, 1999, Mi-cromachined waveguide components for submillimeter-wave applica-tionsi), masters thesis. University of Virginia, Charlottesville, VA с разрешения University of Virginia

7.2.8. Пассивные компоненты: резонаторы и фильтры

Фильтры и резонаторы, реализованные в виде микросистем, обладают довольно хорошими характеристиками: узкой полосой пропускания, низкими потерями и высокой стабильностью. Однако при уменьшении размеров устройств снижается и величина зазора, что приводит к тому, что значения коэффициентов связи между электрическими и механическими компонентами схемы становятся критическими. Для фильтров важной характеристикой является способность работы с мощными сигналами. В связи с этим для механических фильтров необходимо разрабатывать соответствующий монтаж корпуса, обеспечивающий его герметичность, являющуюся ключевым параметром, без которого невозможно получение высокой добротности и долговременной стабильности. Рабочие характеристики механических резонаторов и фильтров определяются их механическими параметрами, поэтому для реализации требуемых электрических функций требуется внимательное проектирование конструкции всех устройств. Другими словами, механическая добротность фильтров, как правило, совпадает с их электрической

переход от коаксиального кабеля к мнкрополоске

Рис. 7.26. Схема микроантенны с подводящим проводом. Репродукция из книги R.F. Drayton, 1995, The Development and Characterizationof Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Ciecuit Applications, PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI с раэрещения University of Michigan

же уменьшается количество материала под антенной, в котором эти поверхностные волны могут распространяться.

Для выборочного удаления кремния из-под излучателя при изготовлении микроантенн может быть применен метод травления. На рис. 7.27 показаны экспериментально определенные значения возвратных потерь традиционной антенны, реализованной на кремниевой подложке, и микроантенны, из-под излучателя которой было удалено 50% материала. Из рисунка видно, что на характеристики традиционного излучателя сильно влияют гармоники высших порядков, а также паразитные поверхностные волны, что выражено в несимметричности частотной зависимости относительно рабочей частоты 20.4 ГГц. Из этого же графика видно, что на характеристики излучателя с частично вытравленной подложкой высшие гармоники практически не влияют. На рис. 7.28 приведены экспериментально определенные диаграммы направленности в Е- vi Н-плоскостях.

-10-

-20-

частота, ГГц

Рис. Т.27. Экспериментальная зависимость возвратных потерь от частоты для микроантенн на кремнии без удаления подложки из-под излучателя и с 50% удалением. Репродукция из книги R.F. Dray-ton, 1995, The Development and Characterizationof Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Ciecuit Applications, PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI с раэрещения University of Michigan

добротностью. Для получения хороших электрических характеристик разработку резонаторов и фильтров, в отличие от остальных ВЧ микросистем, необходимо начинать с проектирования механической конструкции.

Более подробно разработка и анализ микрофильтров рассмотрены в пятой главе.

7.2.9. Антенны в микросистемах

Микроантенны, обладаюпще высоким быстродействием, малыми размерами и весом, являются необходимыми компонентами современных систем связи. Приведем несколько примеров последних достижений в области разработки микроантенн: изготовление кремниевых прямоугольных микроволноводов для связи с рупорными антеннами (Shenouda et al, 1996, Veidt et al, 1995), тонкопленочных волноводов для интегрированных рупорных антенн (Lubeche, Mizuno, Rebeiz, 1998), перестраиваемых V-антенн (Chiao et al), микрополосковых антенн (Drayton, 1995, Wong et al, 2000) и антенн для тера-гигагерцового диапазона (Lubeche, Mizuno, Rebeiz, 1998).

В системах связи широко применяются микрополосковые антенны, что объясняется их малым весом и планарной формой. Однако эффективность излучателя антенны и его полоса частот значительно ухудшаются в результате возникновения колебаний внутри подложки, даже когда для изготовления излучйтеля используются современные материалы, пригодные для применения в технологиях производства ИС, такие как кремний и GaAs. Выборочное удаление материала подложки из-под антенны, как показано на рис. 7.26, позволяет уменьшить или даже устранить паразитные колебания внутри подложки (Drayton, 1995, Wong et al, 2000). При этом происходит снижение диэлектрической проницаемости, а так-

Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

Рис. 7.28. Экспериментальные диаграммы направленности микроантенны (зависимость излучения от угла): а - в Е-плоскости, б - в Н-плоскости. Репродукция из книги R.F. Drayton, 1995, The Development and Characterizationof Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Ciecuit Applications, PhD thesis, University of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения University of Michigan

-90 -60

-30 0 30

угол, градусы

-90 -60 -30 0 30 60 90 угол, градусы (б)

7.3. Разработка, изготовление и определение характеристик компонентов ВЧ микросистем

в связи с потребностью в разработке недорогих ВЧ ИС, интегрированных с цифровыми схемами, появился большой интерес к применению кремниевых подложек для изготовления ВЧ и СВЧ устройств.

Для дальнейшего развития микросистем необходимо понимание их механизма работы и возможностей, для чего требуется углубление теоретических основ и разработка современных методов изготовления. Однако применение полного волнового анализа для получения требуемых характеристик систем часто бывает очень затруднительным. Поэтому, как правило, сначала по аппроксимацион-ным моделям находятся предварительные значения, которые затем уточняются методами полномасштабного волнового анализа. В сле-

7.3. Разработка характеристик компонентов ВЧ .микросистем

дующих разделах рассматриваются основные вопросы разработки, изготовления и определения характеристик ВЧ микроустройств.

7.3.1. Разработка компонентов ВЧ микросистем

В общем виде, разработку ВЧ микросистем можно разделить на два этапа: этап разработки и анализа и этап изготовления и определения рабочих характеристик. Методы полного волнового анализа позволяют построить достаточно точную модель ВЧ микросистемы. Однако такой подход очень сложный и трудоемкий, поэтому для предварительной оценки параметров схемы применяется квазистационарная модель, основанная на теории поперечных электромагнитных волн (ПЭМВ). Использование такой модели позволяет построить первоначальный вариант схемы, который затем уточняется методами полного волнового анализа, для которых требуется знание геометрических размеров компонентов. Наилучшие результаты достигаются при применении метода итераций для точного подбора размеров устройства, обеспечивающих получение требуемых рабочих характеристик. После проведения такого анализа рассчитанная микросистема изготавливается, и на специальном оборудовании (анализаторах цепей и тестовых станциях) определяются ее характеристики.

Для расчета электрических частотных характеристик, как правило, применяются специализированные программные пакеты (CAD), основанные на квазистатических и полу эмпирических формулах, подобных описанным в разделе 7.1 для копланарных линий передач. Для уточнения геометрических размеров микроструктур применяется один из методов волнового анализа, например, метод интегральных уравнений, описанных в спектральной области (Dib, Katehi, 1991, El-Shandwily, Dib, 1990), или метод конечных временных интервалов (Drayton, Dib, Katehi, 1995, Kunz, Luebbers, 1993, Sheer et al, 1990, Zhang, Mei, 1988). Для прогнозирования импедансных характеристик схемы может быть применена квазистационарная модель, основанная на методе конформных отображений (Dib, Katehi. 1992). Метод конечных интервалов является наиболее универсальным и достаточно точным способом моделирования геометрических форм и размеров устройства.

Несовпадение теоретических и экспериментальных результатов объясняется, в основном, погрешностями при изготовлении устройств и допущениями, сделанными во время моделирования.