陳肇嶺,程春悅,劉宇軒

(北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所,北京 100039)

1 引言

功率是無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)計(jì)量的基本參數(shù),也是描述信號(hào)的代表性參數(shù)之一,例如在雷達(dá)和通信領(lǐng)域,功率測(cè)量結(jié)果直接影響了作用距離、靈敏度等關(guān)鍵技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)確評(píng)估。同時(shí),很多其他無(wú)線(xiàn)電參數(shù)也需要直接或間接地溯源到功率參數(shù),因此,國(guó)內(nèi)外主要計(jì)量機(jī)構(gòu)都把功率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究置于非常重要的地位[1]。北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所從2004 年開(kāi)始系統(tǒng)性地開(kāi)展了基于雙負(fù)載結(jié)構(gòu)的量熱式功率測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究工作。其核心單元即微波直流功率替代器件采用了內(nèi)部嵌入微型表貼電阻的楔形寬帶吸收負(fù)載結(jié)構(gòu),已被使用在所研制(18～170)GHz 的功率標(biāo)準(zhǔn)裝置中。

隨著毫米波-太赫茲技術(shù)逐漸被應(yīng)用于制導(dǎo)、探測(cè)、通信等領(lǐng)域,業(yè)界對(duì)建立更高頻段的功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了迫切需求。而繼續(xù)采用現(xiàn)有形式的微波直流功率替代器件建立更高頻段的標(biāo)準(zhǔn)主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題:

1)加工工藝的制約

隨著頻率提高,波導(dǎo)尺寸相應(yīng)變小,WR05(140～220)GHz 波導(dǎo)截面尺寸為(1.27×0.635)mm。此時(shí),將微型電阻嵌入到吸收負(fù)載內(nèi),以及制作吸收特性和熱學(xué)特性一致負(fù)載的操作流程會(huì)變得十分復(fù)雜。微波直流替代效率評(píng)估也將變得更加困難。

2)測(cè)量時(shí)間的制約

隨著頻率的升高,信號(hào)源穩(wěn)定性變差,因此需要盡量縮短測(cè)量時(shí)間。傳統(tǒng)的羰基鐵粉結(jié)合環(huán)氧樹(shù)脂制成的材料導(dǎo)熱系數(shù)較差,通常在(1～2)/(m·K)之間,這會(huì)延長(zhǎng)量熱計(jì)的平衡穩(wěn)定時(shí)間。

為滿(mǎn)足業(yè)界對(duì)毫米波太赫茲頻段功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的需求,可選擇以毫米波量熱式功率敏感器關(guān)鍵技術(shù)突破為目標(biāo),開(kāi)展基于多層體硅摻雜結(jié)構(gòu)的吸收負(fù)載和與之配合的自平衡反饋電路兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究,進(jìn)而為后續(xù)新型功率標(biāo)準(zhǔn)的研制和建立奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 負(fù)載結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)研制

2.1 負(fù)載結(jié)構(gòu)形式選擇

傳統(tǒng)吸收負(fù)載結(jié)構(gòu)采用添加羰基鐵粉的環(huán)氧樹(shù)脂材料。但在大約70 GHz 以上頻段,材料的復(fù)磁導(dǎo)率接近1 +j0,體現(xiàn)出無(wú)磁性特征,只能依靠介電損耗吸收入射功率。在100 GHz 以上頻段,傳統(tǒng)吸波材料相比于純介電損耗材料而言并無(wú)優(yōu)勢(shì)可言,因此需要考慮使用其他材料的負(fù)載結(jié)構(gòu)形式。而體摻雜半導(dǎo)體由于具備有限電導(dǎo)率,通過(guò)形狀匹配以及控制摻雜濃度同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的良好吸收。比較了不同方案吸波負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),如表1 所示。

表1 負(fù)載吸收體優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of load absorbers

波導(dǎo)負(fù)載由矩形開(kāi)口波導(dǎo)和負(fù)載兩部分組成。把硅片搭載于一端削尖的矩形波導(dǎo)上,幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。波導(dǎo)前端削尖再搭置負(fù)載,負(fù)載完全搭載于波導(dǎo)外側(cè),方便負(fù)載上放置溫度傳感器和直流加熱器。純單晶硅本身的體電導(dǎo)率很差,可以通過(guò)摻雜手段改善體電導(dǎo)率,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的衰減[2]。

圖1 波導(dǎo)負(fù)載示意圖Fig.1 Diagram of waveguide load

2.2 吸收負(fù)載反射系數(shù)仿真

相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]顯示,多層漸變體電導(dǎo)率材料結(jié)構(gòu)有改善材料整體電壓駐波比(VSWR)的潛力[6],通過(guò)電磁仿真可驗(yàn)證這一結(jié)論。

在限定負(fù)載總厚度,波導(dǎo)管長(zhǎng)度和斜劈角度的前提下,對(duì)多個(gè)頻段下一層、二層、三層負(fù)載結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。

在總厚度0.6 mm,波導(dǎo)管長(zhǎng)度為15 mm,斜劈角度為8°的條件下,得到各頻段下單層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化仿真?？梢园l(fā)現(xiàn),對(duì)于每個(gè)頻段下單層結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化仿真,總能找到對(duì)應(yīng)的雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu),使得其性能優(yōu)于單層結(jié)構(gòu),仿真參數(shù)設(shè)置和仿真結(jié)果分別如表2 和圖2 所示。

圖2 單層/雙層/三層結(jié)構(gòu)仿真駐波對(duì)比圖Fig.2 VSWR simulation comparison of single-layer/double-layer/three-layer structure

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.2 Simulation parameter settings

仿真的基本思路為:

1)找到某頻段內(nèi)單層負(fù)載的最優(yōu)結(jié)果。

2)找到一組雙層負(fù)載結(jié)構(gòu),使雙層負(fù)載結(jié)構(gòu)的第一層體電導(dǎo)率與單層負(fù)載相同,且電壓駐波比表現(xiàn)更好,這樣便能說(shuō)明雙層負(fù)載結(jié)構(gòu)電壓駐波比表現(xiàn)優(yōu)于單層。

3)找到一組三層負(fù)載結(jié)構(gòu),使三層負(fù)載結(jié)構(gòu)的第一層體電導(dǎo)率、厚度與雙層負(fù)載結(jié)構(gòu)相同,第二層體電導(dǎo)率與雙層負(fù)載相同,且電壓駐波比表現(xiàn)更好,這樣便能說(shuō)明三層負(fù)載結(jié)構(gòu)駐波表現(xiàn)優(yōu)于雙層。

可以得出以下結(jié)論:

1)在目前給定的總厚度下,雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)相比單層結(jié)構(gòu),能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電壓駐波比;

2)在目前給定的總厚度下,雙層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果區(qū)別不大,說(shuō)明即便繼續(xù)增加層數(shù)到4 層及以上,也很難使得性能進(jìn)一步提高。若要進(jìn)一步驗(yàn)證三層結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,可能需要將總厚度提升到0.6 mm 以上。

在當(dāng)前厚度下,考慮到三層結(jié)構(gòu)負(fù)載的電壓駐波比表現(xiàn)相比雙層結(jié)構(gòu)改善程度有限,而且三層結(jié)構(gòu)負(fù)載制備更加復(fù)雜,故選定雙層結(jié)構(gòu)為仿真優(yōu)化目標(biāo)。

經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),最終篩選得到的各頻段下最優(yōu)曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖3 各頻段最佳優(yōu)化曲線(xiàn)圖Fig.3 Optimal optimization curves for each band

這些優(yōu)化曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)果為制定硅晶圓鍵合方案奠定了基礎(chǔ)。

2.3 吸收負(fù)載加工裝配

硅晶圓是半導(dǎo)體工業(yè)的基本材料,晶圓鍵合技術(shù)可以將兩種或多種材料(結(jié)構(gòu))結(jié)合成一體,實(shí)現(xiàn)材料和器件的高密度集成[7,8]。鍵合并切割后的硅晶圓如圖4 所示,圖4 從左至右依次是用于制作(75～110)GHz,(140～220)GHz 和(220～325)GHz吸收負(fù)載的雙層鍵合硅片。

圖4 鍵合硅片實(shí)物圖Fig.4 Picture of bonding silicon wafers

隨后將經(jīng)光刻工藝加工后的鍵合硅片通過(guò)黏合劑粘到斜劈波導(dǎo)上,制作成波導(dǎo)負(fù)載,如圖5 所示,黏合劑選擇AB 結(jié)構(gòu)膠,主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂。

圖5 波導(dǎo)負(fù)載實(shí)物圖Fig.5 Picture of waveguide load

3 負(fù)載駐波測(cè)試

實(shí)測(cè)了所研制的毫米波量熱式功率敏感器波導(dǎo)負(fù)載在(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 頻段的電壓駐波比,并與某公司的商用功率敏感器進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6 所示。

圖6 (75～325)GHz 電壓駐波比測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 Results of VSWR measurement from (75～325)GHz

圖6(a)對(duì)比了(75～110)GHz 下的電壓駐波比測(cè)量結(jié)果,雙層鍵合負(fù)載的駐波比范圍在1.003 8～1.118 之間,平均值約為1.087,對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.001 9～0.056 和0.08;圖6(b)對(duì)比了(140～220)GHz 下的電壓駐波比測(cè)量結(jié)果,雙層鍵合負(fù)載的駐波比范圍在1.004～1.064 之間,平均值約為1.031,對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.002～0.031 和0.015;圖6(c)對(duì)比了(220～325)GHz 下的電壓駐波比測(cè)量結(jié)果,雙層鍵合負(fù)載的駐波比范圍在1.013～1.096 之間,平均值約為1.047,對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)范圍和平均值分別為0.006 5～0.046 和0.023。

4 結(jié)束語(yǔ)

圍繞(75～325)GHz 直波導(dǎo)形式功率敏感器波導(dǎo)負(fù)載研制展開(kāi)工作,采用薄壁不銹鋼鍍金結(jié)構(gòu)波導(dǎo),并基于硅片鍵合工藝研制出(75～110)GHz,(140～220)GHz,(220～325)GHz 共3 個(gè)頻段的寬頻帶吸收負(fù)載。經(jīng)實(shí)測(cè),電壓駐波比分別為1.0038～1.118,1.004～1.064,1.013～1.096,達(dá)到先進(jìn)水平。