用於太赫茲超導混頻陣列的MEMS體矽集成天線與封裝技術

《用於太赫茲超導混頻陣列的MEMS體矽集成天線與封裝技術》是依託北京理工大學，由劉埇擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：用於太赫茲超導混頻陣列的MEMS體矽集成天線與封裝技術
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：劉埇
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

太赫茲波是天文探測領域的重要波段，太赫茲波探測對提升人類認知宇宙的能力有重要意義。太赫茲超導混頻接收機是具有代表性的高靈敏天文探測設備。天線及混頻晶片封裝是太赫茲接收前端系統的關鍵組件。當前，太赫茲超導接收機多採用獨立的金屬喇叭天線和金屬封裝，很難進行高集成度陣列擴展。大規模太赫茲陣列接收機發展很大程度受到天線及晶片封裝技術的制約。課題擬研究基於MEMS體矽工藝技術的適合大規模太赫茲超導接收陣列套用的0.4THz以上頻段高性能集成波紋喇叭天線，及該天線與超導混頻晶片一體化封裝。通過電磁場理論分析、電磁場數值建模與仿真、低溫超導實驗驗證等手段，研究MEMS體矽工藝集成波紋喇叭天線的高增益、高效率和高斯波束技術，以及天線與超導混頻晶片一體化封裝的高效匹配技術。課題將取得用於天文探測接收陣列的集成天線，及天線與超導混頻晶片一體化封裝技術，為研製大規模太赫茲超導混頻陣列接收機提供基礎技術支撐。

結題摘要

太赫茲波是天文探測領域的重要波段，太赫茲波探測對提升人類認知宇宙的能力有重要意義。太赫茲超導混頻接收機是具有代表性的高靈敏天文探測設備。天線及混頻晶片封裝是太赫茲接收前端系統的關鍵組件。當前，太赫茲超導接收機多採用獨立的金屬喇叭天線和金屬封裝，很難進行高集成度陣列擴展。大規模太赫茲陣列接收機發展很大程度受到天線及晶片封裝技術的制約。本課題研究了太赫茲體矽多層複合天線，突破體矽基片厚度限制，提出了一種利用體矽多層複合方法實現的太赫茲高增益高斯波束天線。融合天線設計方法與體矽乾法刻蝕工藝特點，探討了多層複合層間結構配合協定和精確對位方案，實現了可工作於太赫茲頻段的體矽準對角喇叭天線和波紋喇叭天線，在500GHz附近測試了連線埠特性和輻射特性，得到低副瓣高增益高斯波束。解決了具備高增益特性和陣列擴展潛力的高斯波束饋源問題。研究了太赫茲體矽饋電網路和濾波器件。探討了一種太赫茲體矽饋電功分網路套用性能實驗評估方法，採用多連線埠饋電網路與天線陣列整體製備、整體測試的方案，間接驗證了饋電網路設計的有效性。並提出了一種二維金屬電磁晶體結構太赫茲腔體帶通濾波器。採用電磁晶體材料結合雙模諧振腔的方案，實現了較高的帶內傳輸效率和較好的帶外衰減，完成了雙腔濾波器和三腔濾波器體矽樣品製備，測得了325-500GHz連線埠特性，仿真結果與測試結果吻合良好，驗證了電磁晶體材料可用於太赫茲器件設計實現。研究了太赫茲體矽AiP集成接收技術。從系統集成度和可實現性方面，分析並對比了幾種可利用體矽工藝實現的太赫茲AiP系統構架，並選擇了體矽AiP模組集成超導接收機作為驗證性實驗對象。基於實驗關鍵問題分析和測試平台搭建，完成了接收系統的噪聲溫度測試，並分析了不同種類單元的性能差異性和同種單元的一致性，表明太赫茲體矽AiP模組方案可行，為更複雜的AiP集成方案實現打下技術基礎。