476 Глава 8. Микроантенны

ют поверхностные волны в плоскости Е, особенно при значительном расстоянии между элементами.

Все рассуждения в этом разделе касались только микрополосковых антенн с прямоугольными излучателями. Однако основные принципы расчета применимы и для излучателей других форм. В любом случае поведение диэлектрических подложек остается практически неизменным. Это свойство будет использовано в следующих разделах.

8.3. Способы улучшения рабочих характеристик микроантенн

в предыдущих разделах этой главы рассматривались рабочие характеристики микрополосковых антенн и некоторые конструкционные параметры, влияющие на эти характеристики. Для построения полностью интегрированных систем некоторые параметры антенн необходимо улучшать. Цель данного раздела - описание способов улучшения рабочих характеристик антенн методами микротехнологий.

Для построения полностью интегрированных систем необходимо, чтобы все компоненты системы были совместимы друг с другом. В микроволновом частотном диапазоне бывает трудно подобрать оптимальное значение диэлектрической проницаемости подложки. С точки зрения построения электрической схемы для подложки предпочтительнее использовать материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет уменьшать размеры устройства, а также снижать потери, например, радиационные. С другой стороны, если антенна интегрируется на подложку объекта, возникает вопрос использования этой подложки. Как упоминалось в предыдущих разделах, излучательные характеристики антенны и антенных решеток ухудшаются при применении материалов подложек с высокими значениями диэлектрической проницаемости. Следовательно, всегда приходится искать компромисс при выборе материала подложки.

Один из способов решения этой проблемы - использования двух разных подложек: одной для схемы, а другой для антенны. Но такой подход значительно увеличивает стоимость устройства. Микротехнологии позволяют формировать устройства на одной подложке, удовлетворяющие требованиям, как со стороны схем, так и со стороны антенн (Yook, Katehi, 1998).

8.3. Способы улучшения рабочих характеристик микроантенн

Современные устройства связи вторгаются все в более высокий частотный диапазон. При этом размеры антенн и других компонентов, работающих на таких частотах, значительно уменьшаются, что позволяет реализовывать интегрированные на одном кристалле системы со встроенными антеннами. В таких системах для формирования антенн, а также активных и пассивных элементов, применяются полупроводниковые подложки. Интегрированные системы, построенные на полупроводниковых подложках, совсем не имеют внешних компонентов или имеют их ограниченное количество.

Для реализации активных устройств требуются материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (обычно порядка 12), что в диапазоне микро- и миллиметровых волн приводит к необходимости применения подложек с большой электрической толщиной, которая для промышленно выпускаемых подложек, например, для 200 мкм GaAs или кремниевых подложек составляет \т/20 на частоте 20 ГГц и на частоте 100 ГГц, где Am - длина волны внутри сре-

ды подложки (Papapolymerou, Drayton, Katehi, 1998). Большая толщина приводит к усилению распространения поверхностных волн, что неизбежно вызывает увеличение потерь. Очевидно, что допущения, сделанные для тонких подложек при расчете характеристик антенн, при большей толщине уже не действительны. Хотя толщину подложки можно потом уменьшить, это влечет за собой снижение прочности структуры, что является серьезной проблемой при изготовлении больших подложек, необходимых для схем, работающих в миллиметровом диапазоне. Исходя из этого, более перспективными являются методы снижения диэлектрической проницаемости среды непосредственно под антенной. Оценив перспективы развития интегрированных систем, перейдем к рассмотрению методов изготовления микросистем на полупроводниковых подложках.

Одна из идей улучшения характеристик антенны заключается в формировании на подложке близко расположенных отверстий. Наличие заполненных воздухом отверстий уменьшает эффективную диэлектрическую проницаемость среды, окружающей антенну. Для изучения этого эффекта была разработана емкостная модель. В этой модели (рис. 8.7) рассматривается конденсатор с параллельными пластинами, образованными излучателем и плоскостью заземления. Диэлектрическая проницаемость перфорированной диэлектрической среды между пластинами описывается следующим вы-

478 Глава 8. Микроантенны

ражением (Gauthier, Courtay, Rabeiz, 1997):

£r,syn - £r

V 2dl) 2d2

(8.25)

где dh - диаметр отверстий, dc - расстояние между:центрами щ ©-

угольной сетки. i,.. л > л, Ц;/

большое количество отверстий иа расстоянии Ad (>10) для получения низкого эффективного значения !

плоскость заземления

микрополосковая антенна

r.syn

Рис. 8.7. Микрополосковал антенна с отверстиями, просверленными в под-I ложке. Диэлектрическая проницаемость подложки зависит от раз-

мера дырок и их плотности распределения. Репродукция из книги G.P. Gauthier, А. Courtay, G.M. Rabeiz, 1997, Microstrip antennas , . on synthesized low dielectric constant substrates*,/SBS TVonsocions on Antennas and Propagations 45: 1310-1314 с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

Треугольная сетка для формирования серии отверстий позволяет реализовать максимальную эффективность антенны. Такой подход позволяет повысить излучающую эффективность антенны на 25%. Рассмотренный метод был применен для построения антенн на полупроводниковых подложках, только при этом отверстия не сверлились, а вытравливались. Форма получаемых отверстий зави-

8.3. ипосооы улучшения раоочах лири,гы1ьк:.ри,к.1,ьк1п .iy>,u

сит от метода травления, от продолжительности травления и от ориентации кристаллов подложки (рис. 8.8, Bean, 1978). Кроме того, поскольку полупроводниковые подложки обладают хорошими механическими характеристиками, возможно почти полное удаление материала подложки из-под антенны (рис. 8.9, Zheng et al, 1998).

Рис. 8.8. Форма отверстия в зависимости от ориентации кристаллов подложки при анизотропном жидкостном травлении кремния: а - кремний (100), б - кремний (110). Репродукция из книги К.Е. Bean, 1978, ((Anisotropic etching of silicon*, IEEE Transactions in Electronic Devices 25: 1185-1193 с разрешения IEEE, ©1978 IEEE

SiOz

Рис. 8.9. Микрополосковая микроантенна с частью удаленного материала подложки из-под излучателя. Репродукция из книги I. Papapolymerou, R.F. Drayton, L.P.B. Katehi, 1998, ((Micromachined patch antennas*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 46: 275-283 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

> полости

r,eff - L + 2AL

полости J

(8.26)

где диэлектрическая проницаемость в зоне краевых полей и в зоне полости смешанной подложки задается в следующем виде:

краевом воздуха Ь {подложки £возЛ/ха)возЛ/а:а

полости воздуха + ( -подложки eQ0Q(xa)x краевое

евоздухаподложки

-полости - I г \

воздуха + {подложки евоздуха} воздуха

(8.27) (8.28)

Здесь Хвоздуха И Хкраевое - отношения ТОЛЩИНЫ СЛОЯ воздуха к толщине подложки в зоне полости смешанной подложки и в зоне краевых полей. Такая конструкция антенны позволяет значительно улучшить полосу частот антенны, а также повысить ее излучающую эффективность (ее к.п.д). По сравнению с обычными подложками ширина частотного диапазона улучшается на 60% (рис. 8.10, Papapolymerou, Drayton, Katehi, 1998). Для улучшения полосы частот форму полости под излучателям выбирают так, чтобы резонансная частота бьыа близка к частоте излучателя.

частота, ГГц

Рис. 8.10. Частотные характеристики микрополосковых антенн: улучшенной и традиционной. Репродукция из книги I. Papapolymerou, R.F. Drayton, L.RB. Katehi, 1998, Mi-cromachined patch antennas*, IEEE Transactions on Antennas, and Propagation 46: 275-283 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

В работе (Chen et al, 1998) был предложен другой метод улучшения характеристик антенны. В нем вместо формирования полости под всем излучателем, вытравливаются канавки только под его краями, над которыми нависает проводник излучателя (рис. 8.11). Для

единица: мм

травление с обратной стороны подложки

А-А' поперечное сечение

Рис. 8.11. Микрополосковая антенна с канавками под излучаюпщми краями излучателя. Репродукция из книги Q. Chen, V.F. EXisco, М. Zheng, P.S. Hall, 1998, Micromachined silicon antennas*. Proceedings of the International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, IEEE, Washington, DC с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

получения угла наклона канавок, равного 55 °, применяются высоко-резистивные кремниевые подложки с ориентацией кристаллов (100) и метод травления с обратной стороны кристалла. При таком подходе удается получить 40% улучшение ширины полосы частот, а также повышение к.п.д. антенны, спроектированной для работы на частоте 13.8 ГГц. В работе (Gauther et al, 1999) описано применение такого подхода к построению микрополосковой антенны с копланарным волноводом, рассчитанной на частоту 94 ГГц.

С учетом вертикальных стенок полости эффективную диэлектрическую проницаемость можно оценить при помощи вьфажения (Papapolymerou, Drayton, Katehi, 1998): / г. ji:?.