硅基铁电薄膜W波段移相器设计制备及其阵列化研究

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相控阵雷达即为电子波束扫描雷达,在现代军用民用各领域得到广泛应用。当电磁波频率提高到W波段(75-110 GHz)时,相控阵雷达具有高空间分辨率、障碍穿透性、设备小型化等一系列的优势,可广泛应用于战场识别、机场安检、反恐探测、空间攻防等重要领域。随着摩尔定律的深度发展,基于硅基CMOS工艺的相控阵雷达系统变得越来越复杂,可以实现将整个射频收发系统、相控阵天线阵列、成像系统、数字控制系统等集成在一个芯片上,从而构成一个完整的SoC系统。可调移相器是射频应用中的关键器件。在相控阵雷达中,移相器控制各单元天线的信号相位,因此移相器的成本、驱动功耗和尺寸是影响系统性能的关键因素。铁电材料钛酸锶钡(BST)薄膜广泛应用于移相器电路中。BST薄膜具有与直流偏压相关的介电常数,基于BST薄膜的移相器具有功率容量大、体积小、成本低、结构简单、调谐方便、插入损耗小、移相度大等优点,并且在高频具有很好的介电调谐性能。本文基于BST薄膜材料研制W波段硅基移相器及其与片上天线构成的1×4阵列,具体研究内容与创新点包括以下四点:(1)提取BST铁电薄膜的高频特性参数。通过分析共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)传输线的端口S参数,设计出一种BST薄膜高频特性参数的提取方法:“区域划分的三维有限元(Three Dimension Finite Element Method,3DFEM)仿真法”,并采用该方法提取了生长在高阻硅(hrSi)衬底上的BST薄膜全频段1 GHz-110 GHz、不同偏压下的介电常数值。与现有方法相比,该方法能够克服空间电磁场分布不均和简化模型等引入的模型误差而并没有引入过多的时间开销。(2)基于右手传输线移相器结构,设计了一款中心工作频率为100 GHz、带宽大于10 GHz、插入损耗小于4 dB的带缓冲结构的右手传输线型BST铁电薄膜移相器,并完成了器件制备与测试试验。通过分析电路中的分布电容,得到可以满足低插入损耗、高移相度的可变电容值,并优化叉指电极间距和叉指电极数量。为降低器件插入损耗,开展了器件低损耗研究,本文提出了在叉指结构上插入缓冲结构的设计方法,有效地降低了器件损耗。与现有右手传输线型移相器相比,本文设计的移相器电路工作频率拓展到W波段,可以工作在100 GHz,带宽可以达到10GHz。(3)基于多层微纳加工工艺设计W波段SoC全硅基BST铁电薄膜移相器-微带贴片天线1×4阵列。100 GHz片上天线在硅基上采用薄膜工艺实现,具体形式为方形块状贴片(patch),采用侧馈方式馈电,可与移相器、功分器、滤波器等无源器件利用共面波导、微带线等平面传输线型式在同一平面实现互联。信号馈源网络采用四分之一波长匹配网络T型结功分器,仿真结果表明在10 GHz带宽内损耗小于0.5 dB。移相器-天线1×4阵列在硅基芯片内部实现,整个系统具有体积小,成本低,稳定性好等优势。(4)完成微纳尺寸电极加工和移相器W波段在片测试。BST/hrSi衬底上的金属电极制备的最小线宽为1 um,通过采用超净间lift-off工艺可以得到满足要求的电极图形。为了测试硅基片上移相器高频特性,本文配置了矢量网络分析仪-探针台-扩频模块-直流模块环境,能够实现W波段片上移相器的测试工作,得到具有可重复性、精确的测试结果。这是验证片上W波段传输线、移相器及阵列性能的基础性工作。硅基铁电薄膜W波段移相器设计与制备及其阵列化的研究工作是单片相控阵毫米波雷达射频前端的重要基础性研究。由于时间有限,移相器-天线1×4阵列的制备尚未完成,后续将进一步完成阵列的验证测试工作。
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