Подобный подход применим и для уменьшения взаимной связи между злементами решетки (рис. 8.12). Как указывалось ранее, основными источниками взаимной связи являются поверхностные волны, распространяющиеся между злементами излучателя. Поверхностные волны начинают возбуждаться на подложке на частотах, превышающих частоту среза, определяемую ее толщиной. По оценкам за счет поверхностных волн на подложке толщиной 200 мкм может теряться более 2/3 мощности. Это ведет к увеличению связи между элементами решетки. Полости, сформированные под излучателями, уменьшают вклад поверхностных волн. В работе (Yook, Katehi, 2001) приведен количественный анализ влияния разных форм полостей на коэффициент связи. Для уменьшения взаимной связи необходимо также подбирать оптимальное значение глубины микрообработки.

излучатели

Рис. 8.12. Двухэлементная решетка микрополосковой антенны с полостями под излучателями, применяемыми для уменьшения взаимного влияния. Репродукция из книги J.W. Yook, L.P.B. Katehi, 2001, Micromachined microstrip patch antenna with controlled mutual coupling and surface waves , IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49: 1282-1289 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

8.4. Процесс изготовления микроантенн

Размеры антенн сильно зависят от частот, на которых они работают. При росте частоты до значений, соответствующих длинам волн менее миллиметра, производственные допуски становятся настолько строгими, что традиционные способы изготовления перестают справляться. Микротехнологии предлагают альтернативные мето- , ды построения ВЧ антенн и других микрокомпонентов. Изготавливаемые такими методами структуры необязательно должны быть планарными, что дает возможность формировать широкий спектр разнообразных элементов.

Например, в работе (Shenouda, Pearson, Harriss, 2001) описан метод изготовления рупорной антенны для W-диапазона. Для зтого на кремниевой подложке с ориентацией кристаллов (100) формируются две отдельных V-образных секции. Следует отметить, что кристал-

О

Рис. 8.13. Рупорная микроантенна для W-диапазона: а - схема, б - фотография антенны, изготовленной на экспериментальной установке. Репродукция из книги Shenouda et al, 2001 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

В литературе есть несколько других примеров изготовления рупорных антенн методами микротехнологий. Для формирования пирамидальных отверстий применяется анизотропное травление кремниевой подложки с ориентацией (100) раствором этилен диамин пи-ракатехола. Две таких подложки складываются вместе, как показано на рис. 8.14, для получения решетки из рупорных антенн. Угол рупора определяется кристаллической ориентацией подложки, в данном случае он равен 70.6°. Такой технологический подход позволяет использовать хорошо отработанную технологию жидкостного травления полупроводников для прецизионного формирования полостей.

В .(Другом способе построения антенн для оптимизации таких параметров, как усиление и направленность излучений, угол рупора определяется литографическим методом. В работе (Hesler et al, 2001) дано описание октогональной рупорной антенны, работающей на частоте 585 ГГц. Такая антенна может применяться в приборах химической спектроскопии и радио астрономии. На рис. 8.15 (стр. 485) показана технология изготовления октогональной антенны. Угол рупора определяется оксидным слоем, нанесенным фотолитографическим способом. После чего через треугольное отверстие

лическая структура подложки определяет угол клина каждой секции. Например, ориентация (100) позволяет формировать рупорные антенны с характеристическим отношением между диагоналями рупора, равным 1.42 (рис. 8.13).

контактные площадки

задняя подложка

кпркптельные

Рис. 8.14. Поперечное сечение двухмерной решетки рупорной микроантенны, полученной при соединении двух подложек. Репродукция из книги G.M. Rebeiz, D.P. Kasilingam, Y. Guo, P.A. Stimson, D.B. Tutledge, 1990, Monolithic millimeter-wave two-dimensional horn imaging аггау , IEEE Transactions on Antennas and Propagations 38: 1473-1482 с разрешения IEEE, 1990 IEEE

Hj Микротехнологии позволяют также изготавливать интегрированные структуры, состоящие из антенн и волноводов, работающие на частотах миллиметровых волн. В работе (Digby et al, 1997) приведено описание экспоненциального рупора, реализованного при помощи толстого слоя фоторезиста, используемого в качестве защитного слоя при формировании полой структуры волновода и антенны. Антенна, показанная на рис. 8.16 (стр. 486), на частоте 200 ГГц в горизонтальной и вертикальных плоскостях имеет ширину луча.

8.4- Процесс изготовления микроантенн

соответственно равную 23° и 31°. Рассматриваемая антенна рассчитана для работы в G-диапазоне (140... 220 ГГц).

>4МАХ

6, Dj и D, задаются произвольно

для кремния 03 равен 54.7° Dj = 2D3 tan (81/2)

О'2 = Ог - ((2D4) /tan (54.7°))

D4MAX = (D2/2)tan(54.7<)

tan (вг) = tan ( ,/2) tan (54.7°)

П

Рис. 8.15. Октогональная рупорная антенна для субмиллиметрового диа- пазона: а - треугольный профиль после завершения процесса травления, б - ровная нижняя площадка, полученная методом

. управляемого травления, в - верхняя секция, г - покомпонент-

ное изображение нижней секции октогональной рупорной антенны. Репродукция из книги J.I. Hesler, К. Hui, R.K. Dahlstorm, R.M. Wekle, T.W. Crowe, CM. Mann, H.B. Wallace, 2001, Analysis of an octagonal mieromaehined horn antenna for submillimeter-wave apphcations*, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49: 997-1001 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Для изготовления антенн, работающих в миллиметровом диапазоне волн, может быть применена технология LIGA, позволяю-

раствором EDP вытравливается кремниевая подложка. Удалив оксидный слой, получают сформированную треугольную полую структуру рупора. Далее на верхнюю часть подложки наносится ультратонкий слой фоторезиста, и поверхность металлизируется, для чего применяются методы осаждения и электролитические методы. Для получения рупора две половинки соединяются вместе.

486 Глава 8. Микроантенны

щая производить травление очень толстых металлических структур. Описание заостренных щелевых антенн, изготовленных на GaAs подложке по технологии LIGA, рассчитанных на частоту 94... 184ГГц, приведено в работе (Gearhart, Willke, 1998). При изготовлении таких антенн непосредственно на подложке, ее толщина t должна удовлетворять следующему критерию:

0.005 , - 0.03,

волновод 1300 мкм X 80 мкм

А

экспоненциальный щелевой рупор

(8.29)

-у( =0 = 9О°)

Рис. 8.16. Антенна с экспоненциальным щелевым рупором, интегрированная с волноводом для G-диапазона. Репродукция из книги J.W. Digby, СЕ. Collins, В.М. Towlson, L.S. Karatzas, G.M. Parkhurst, J.M. Chamberlain, J.W. Bowen, R.D. Pollard, R.E. Miles, D.P. Steenson, D.A. Brown, N.J. Cronin, 1997, (ilntegrated micro-matched antenna for 200 GHz operation*. Proceedings of the 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Volume 2, June 8-13 1997, IEEE, Piscataway, NJ: 561-564 с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

Для того чтобы выполнить это условие на частоте 184 ГГц, толщина GaAs подложки должна быть менее 20 мкм. Для работы в Ка-диапазоне частот для антенн такого типа могут применяться подложки с отверстиями, аналогичные используемым в микрополосковых антеннах, описанных в предыдущем разделе (Muldavin, Ellis, Rebeiz, 1997). Отверстия в подложке служат для снижения эффективной

диэлектрической проницаемости. Значение диэлектрической проницаемости в этом случае определяется диаметром и расположением отверстий в подложке.

Однако для работы на более высоких частотах требуется разработка альтернативных схем. В работе (Gearhart, Willke, 1998) приведен метод изготовления щелевых антенн с использованием LIGA технологии. В этом методе на GaAs подложку сначала наносится толстый слой металла толщиной приблизительно 150 мкм, из которого формируется структура антенны (рис. 8.17). LIGA технология наиболее эффективна при рентгеновском травлении вертикальных структур (раздел 1.3.4). После того, как методом травления удалена подложка из-под металлических структур, толщина подложки

8.5. Микроантенны с переменной конфигурацией

становится практически равной нулю, поэтому и потери в ней становятся незначительными. Оставшаяся часть подложки служит для размещения остальных элементов схемы.

толщина металла от 10 мкм до 1 мм

РММА с отверстиями

поляризация электрического поля

направление излучения

подложка из арсенида галлия

Рис. 8.17. Заостренная щелевая антенна, изготовленная по технологии LIGA. Репродукция из книги S.G. Gearhart, Т. Willke, 1998, ((Integrated antennas and filters fabricated using micromachining techniques*, IEEE Aerospace Applications Conference Proceedings, Volume 3, 1998, March 21-28 1998, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA: 249-254 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

8.5. Микроантенны с переменной конфигурацией

Антенны, способные менять свои характеристики, называются перестраиваемыми антеннами. Первоначально такие антенны использовались в спутниковых системах связи. Совершенствование технологии производства спутниковых систем позволило увеличить срок службы самих спутников. Антенны играют важную роль в работе всей спутниковой системы. Поэтому их разработку начинают на самых ранних проектных стадиях спутниковой системы. Зоны действия Антенны в период запуска спутника и во время его функционирования в космосе не обязательно должны совпадать, потому что требования к зоне действия могут периодически меняться, а также может меняться положение самого спутника в пространстве. К тому же может потребоваться динамическое переключение направленности антенны на разные географические зоны земной поверхности для согласования трафика связи из-за смены часовых поясов. Из всего вышесказанного следует, что спутниковые системы связи не могут обойтись без перестраиваемых антенн (Balcewicz, 1983). Воз-