多层圆片级堆叠THz硅微波导结构的制作

基于微电子机械系统(MEMS)工艺,提出一种多层圆片堆叠的THz硅微波导结构及其制作方法。为了验证该结构在制作THz无源器件中的优势,基于6层圆片堆叠的硅微波导结构,设计了一种中心频率365 GHz、带宽80 GHz的功率分配/合成结构,并对其进行了仿真。研究了制作该结构的工艺流程,攻克了工艺过程中的关键技术,包括硅深槽刻蚀技术和多层热压键合技术,并给出了工艺结果。最终实现了多层圆片堆叠功率分配/合成结构的工艺制作和测试。测试结果表明,尽管样品的插入损耗较仿真值增加3 dB左右,考虑到加工误差和夹具损耗等情况,样品主要技术指标与设计值较为一致。     

MEMS铜基微同轴传输线性能仿真及测试

研究了一种新型的MEMS超宽带铜基微同轴传输系统。设计了特性阻抗为50Ω铜基微同轴传输线结构,其仿真电压驻波比(VSWR)在DC～110 GHz内低于1.15。且设计了可用于探针台测试和芯片金丝键合的地-信号-地(GSG)转接结构,仿真插入损耗低于0.1 dB。采用该微同轴结构和GSG转接结构设计了用于探针台测试的直通-反射-传输线(TRL)校准套件,利用薄膜工艺加工得到了铜基微同轴传输线及校准件实物,通过实验测试得到该微同轴传输线DC～40 GHz最大插入损耗为0.35 dB/cm,通过仿真拟合推算其110 GHz下的插入损耗约为0.65 dB/cm,该插入损耗性能显著优于平面印刷传输线,同时,该微同轴传输线的体积远小于波导传输结构,可以用于研制小型化、高性能、高集成密度微波/毫米波系统。     

基于硅基MEMS工艺的Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺设计了一种Ka波段四通道短砖式三维集成T/R微系统，实现四通道收发及功率合成功能。器件每个通道具备6 bit数控移相、5 bit数控衰减、电源调制等功能。该T/R微系统由两层硅基MEMS模块堆叠而成，每层硅基模块内部异构集成多个单片微波集成电路(MMIC),内部采用硅通孔(TSV)实现垂直互连，层间采用植球互连，器件尺寸为18 mm×19.5 mm×3 mm。经测试，在33～37 GHz频段内，器件单通道饱和发射功率大于30 dBm,接收增益约为35 dB,噪声系数小于4.6 dB。器件兼顾高性能和高集成度，可应用于雷达相控阵系统。     

MEMS THz滤波器的制作工艺

基于MEMS技术制作了太赫兹(THz)滤波器样品,研究了制作滤波器的工艺流程方案,其关键工艺技术包括硅深槽刻蚀技术、深槽结构的表面金属化技术、阳极键合和金-硅共晶键合技术。采用4μm的热氧化硅层作刻蚀掩膜,成功完成了800μm的深槽硅干法刻蚀;采用基片倾斜放置、多次离子束溅射和电镀加厚的方法完成了深槽结构的表面金属化,内部金属层厚度为3~5μm;用硅-玻璃阳极键合技术和金-硅共晶键合技术实现了三层结构、四面封闭的波导滤波器样品加工。测试结果表明,研制的滤波器样品中心频率138GHz,带宽15GHz,插损小于3dB。     

空心硅通孔的设计及其传输性能

硅通孔(TSV)能够实现信号的垂直传输,是微系统三维集成中的关键技术,在微波毫米波领域,硅通孔的高频传输特性成为研究的重点。针对微系统三维集成中,无源集成的硅基转接板的空心TSV垂直传输结构低损耗的传输要求,进行硅通孔的互连设计和传输性能分析。采用传输线校准方式,首先在硅基转接板上设计TSV阵列接地的共面波导(CPW)传输线和带TSV过孔的传输结构,并分别进行仿真分析,计算得出带TSV过孔的传输结构的插入损耗;然后通过后道TSV工艺,在硅基转接板上制作传输线和带TSV过孔的传输结构,用矢量网络分析仪法测试传输线和带TSV过孔的传输结构的插入损耗;最后计算得到单个TSV过孔的插入损耗,结果显示在0.1～30 GHz频段内其插入损耗S21≤0.1 dB,实现了基于TSV的低损耗信号传输。     

一种集成环行器的X波段三维异构集成T/R模组

微电子机械系统(MEMS)环行器被广泛应用于射频(RF)T/R微系统中，解决共用天线且收发隔离的问题。基于硅基三维(3D)异构集成工艺，设计了一种集成MEMS环行器的X波段T/R模组。该模组以高阻硅为介质基板，在硅基板上、下表面电镀金属图形，并堆叠多层硅基晶圆，在硅基模组上封装了集成无源器件(IPD)环行器，完成了多种微波芯片和MEMS环行器的系统级封装(SiP),将环行器紧凑集成在硅基T/R模组中。模组尺寸为12.0 mm×11.3 mm×2.0 mm。测试结果表明，在8～12 GHz频带内，模组接收通道增益为27 dB,接收通道噪声系数小于3.2 dB;发射通道增益为33 dB,饱和输出功率大于2 W。     

倒扣焊安装的微机械毫米波介质集成波导滤波器

为了解决毫米波段滤波器因倒扣焊安装引起的性能恶化问题,本文基于MEMS技术提出了联合仿真设计方法,将MEMS介质集成波导滤波器芯片与罗杰斯介质板利用三维高频仿真软件HFSS进行共同建模设计,充分考虑两者互连时易产生的问题,完成了芯片的制作、安装、测试及结果分析。测试结果表明,该滤波器通带为41.5~42.7GHz,去嵌后通带插损小于0.8dB,通带内反射损耗优于17dB,在38GHz处带外抑制优于40dB,芯片尺寸仅为5.2mm×3.0mm×0.4mm。考虑工艺误差影响,设计与测试结果吻合良好,该方法有效改善了毫米波段滤波器频率偏移及安装互连引起反射损耗恶化等问题。     

基于硅微机械加工波导W波段功率合成放大器

基于硅微机械加工工艺,设计并制作一款W波段4路硅基波导功分/合成器。通过在8英寸的硅晶圆上采用干法刻蚀和晶圆级键合等工艺途径实现了硅基波导结构。根据硅微机械加工工艺的特点,设计了一种基于H面T型结和3d B耦合桥结构的波导功分/合成器。该功分/合成器表现出的损耗为0.25 d B。最后,采用该硅基功分/合成器对4只2W的GaN功率单片进行了功率合成,研制了W波段硅基合成功率放大器。测试结果表明,在92～96 GHz的频率范围内,输入功率30 d Bm的条件下,输出功率在7.03 W至8.05 W之间,典型电源附加效率为15%,平均合成效率为88%。     

一种新型螺旋形分布式RF MEMS移相器的设计

针对传统的分布式射频(RF)微机电系统(MEMS)移相器结构可靠性较低、平面面积较大、对制作工艺要求较高的问题,设计了一种新型5位分布式RF MEMS移相器,对其螺旋形共面波导结构和31个MEMS开关组进行了简要介绍及仿真分析。移相器体积为2.6 mm×2.6 mm×0.505 mm,工作频率为40 GHz时,31个仿真相移量与设计目标相移量的误差小于3.72°,满足高频、小面积、低损耗和低成本的MEMS相控阵系统应用的需求。     

0.85 THz 折叠波导行波管的高频特性与结构参数优化分析

由于折叠波导具有准二维结构、功率容量大、易集成等特点,非常适合在THz 频段推广应用,文中对0.85 THz 折叠波导行波管(FW-TWT)的色散和耦合阻抗特性进行了模拟计算与优化,利用等效电路理论、简化理论与CST 仿真计算的方法。根据折叠波导直波导高度需大于注通道的特点,电子注的直流加速电压必须小于某一值;根据MEMS 加工工艺的允许误差范围,对折叠波导结构各部分的参数进行优化,使该结构的色散较平坦与耦合阻抗较大。计算结果表明:电子注的直流加速电压不超过26 kV;注通道填充比为0.1 时,带宽约400 GHz、相速变化率小于1%时带宽约275 GHz(825~1 100 GHz)。该套方法对THz 折叠波导行波管的设计具有重要意义。     

340 GHz GaN大功率固态倍频链

随着太赫兹技术的应用和发展,对大功率太赫兹固态源的需求愈加迫切。文中基于GaN肖特基二极管(SBD)工艺设计并制造了具有高功率输出的170 GHz和340 GHz太赫兹倍频器,实现了340 GHz大功率太赫兹固态倍频链。采用多管芯GaN SBD提高器件功率承载能力,综合开展电路优化设计提升倍频性能,通过仿真研究和实验测试,验证了倍频器设计的有效性和先进性。170 GHz倍频器的实测峰值输出功率达到580 mW,倍频效率为14.5%。340 GHz倍频器的实测峰值输出功率为66 mW,倍频效率为12.5%。该太赫兹固态倍频链性能优良,在太赫兹系统中具有重要的应用价值。     

Ka波段0/Π MEMS移相器

报道了一种Ka波段实时延MEMS移相器芯片。该移相器基于开关线式移相器设计原理,集成了4个MEMS三端口直接接触式毫米波开关单元,使用共面波导(CPW)传输线,利用阶梯阻抗的方式实现传输线拐角和CPW空气桥结构的传输线阻抗匹配。芯片采用RF MEMS表面牺牲层工艺制作在400μm厚的高阻硅衬底上,面积为1.4 mm×2.8 mm。测试显示,在34~36 GHz频率范围内,相移误差3.2°,插入损耗2 dB,反射损耗小于-15 dB。     

宽范围可调MEMS集成滤波器的设计与制作

基于MEMS平面螺旋电感和MEMS可调平行板电容设计并制作了一种宽可调范围的集成可调带通滤波器。理论分析并计算了可调滤波器电感和可调电容的取值范围,利用HFSS设计得到各元件结构参数,并使用AnsoftDesigner分析软件对可调滤波器电路进行了模拟仿真。设计得到的可调滤波器中心频率调节范围为400～700MHz,可调率达75%,实现了宽范围可调,3dB相对带宽范围为5%～10%,插入损耗小于5dB,芯片尺寸为20mm×6mm×0.4mm。给出了一套基于MEMS平面工艺的MEMS集成可调滤波器的制作流程,实现了MEMS集成可调滤波器的工艺制作及测试。测试结果表明,获得的可调滤波器实现了通带频率宽范围可调。     

0.22 THz Waveguide Bandpass Filter with High Stop-Band Suppression

A terahertz (THz) waveguide band-pass filter using an iris inductive window coupled structure was designed and fabricated. The filter was designed at 0.22 THz with a pass band of 20 GHz. The measured results show that the center frequency is 0.218 THz with a pass band of 0.205 THz to 0.231 THz, the minimum insertion loss is 1.26 dB at 0.224 THz, and the return loss is less than 13.1 dB. The stop-band suppression is 65.6 dB at 0.193 THz and 51.8 dB at 0.243 THz, respectively, which means a good performance of high stop-band suppression. A good agreement exists between the measured S-parameters and the simulated ones, especially in the upper band. The proposed THz waveguide filter has potential applications in THz communications.     

（英）一种基于透镜天线的宽带太赫兹准光检波器

设计了一种能够工作在140~325 GHz频带的宽带准光检波器,由一颗高阻硅透镜和单片集成检波芯片组成.设计并加工出双缝天线,在天线馈电端集成了肖特基二极管,该紧凑结构使其能够接收空间中的太赫兹辐射并转换为基带信号.为增强片上天线的方向性,利用MLFMM算法进行了扩展半球硅透镜的设计和优化,实现了良好的辐射特性.通过测试,天线在220 GHz和324 GHz处的辐射增益分别为26 dB和28 dB.在140~325 GHz,检波器测试得到的响应率可达到1 000~4 000 V/W,对应的等效噪声功率(NEP)估算为0.68~273 pW/Hz.     

MEMS微同轴宽带功分器

随着微波系统大功率、超宽带的发展,对功率分配/合成结构的性能提出了更高的要求,超宽带、低损耗、小尺寸、易于集成的功分器成为研究热点。基于微电子机械系统(MEMS)工艺的微同轴射频传输线具有超宽带、无色散、低损耗和高隔离度等特点,使用微同轴工艺制备的功分器具有超宽带、低损耗、易于集成、小型化和可移植性好等特点。仿真并制作了一款微同轴一分二功分器。测试结果表明,在6~18GHz内插入损耗小于0.3dB,功分器体积为3mm×5.85mm×0.5mm,功率容量不小于100W。通过包金带的方式装配了功分器的背靠背结构。测试结果表明,背靠背结构损耗与预期损耗相符。为微同轴功分器在100W有源功放组件中的应用奠定了基础。     

适于毫米波应用的新型MEMS实时延时线(英文)

介绍了两种适于毫米波应用的RF MEMS实时延时线的设计。首先,在设计中采用了一种新颖的RF MEMS拓宽调节范围的变容器结构,得到了最大变容比为5.39的在片测试结果。其工艺设计基于表面微机械工艺,采用了由5个掩模版组成的工艺流程。然后,在RF MEMS变容器设计的基础上,完成了用于原理论证的Ka波段RF MEMS实时延时线的仿真设计、工艺流片和在片测试。Ka波段RF MEMS实时延时线的在片测试结果显示,在28GHz时处于下降状态的插入损耗为-2.36dB;两端口在28GHz时的回波损耗都小于-15dB,而在5～40GHz的整个测试频率范围内的回波损耗都小于-10dB。在Ka波段RF MEMS实时延时线设计基础上,60GHz RF MEMS实时延时线的仿真设计已经完成并准备投片。     

345 GHz Band-Pass Filter Using Ultra-Precision Machining Technology

This paper presents a terahertz (THz) band-pass filter using ultra-precision machining technology based on Chebyshev filter prototype. This iris inductive window coupled waveguide filter was designed by using 8 resonant cavities with a center frequency of 345 GHz and a 7% bandwidth. The final design fulfills the desired specifications and presents the minimum insertion loss of 1.55 dB and the return loss of less than 15 dB at 345 GHz. The stop-band rejection is 50 dB off the center frequency about 30 GHz, which means it has a good performance of high stop-band suppression. Compared with the recent development of THz filters, this filter possesses the characteristic of simple structure and is easy to machining.