用于THz應(yīng)用的間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明披露了一種微波/毫米裝置，通過(guò)使用導(dǎo)電材料的兩個(gè)平行表面之一上的紋理或多層結(jié)構(gòu)在這些表面之間具有一個(gè)窄間隙。場(chǎng)主要存在于該間隙內(nèi)，而不在該紋理或?qū)咏Y(jié)構(gòu)本身中，因此損耗小。該微波/毫米波裝置進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電元件，如這兩個(gè)表面之一中的金屬化脊或凹槽、或者位于這兩個(gè)表面之間的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬帶。波沿著這些導(dǎo)電元件傳播。這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有禁止這些波在它們之間的除了沿著該脊、凹槽或帶之外的其他方向上傳播。在特高頻下，間隙波導(dǎo)和間隙線可以實(shí)現(xiàn)在IC封裝內(nèi)或芯片本身內(nèi)。常規(guī)的機(jī)加工如但不限于：鉆孔、碾磨和鋸切在100GHz和10THz之間不能以裝置所要求的精度限定這些結(jié)構(gòu)。為了獲得所要求的高精度，如深反應(yīng)蝕刻微系統(tǒng)制造方法可以用于以高精度限定這些結(jié)構(gòu)。還可以使用替代制作方法，如注塑成型或其他微成型工藝。金屬層可以覆蓋某些或全部表面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于THz應(yīng)用的間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種使用間隙波導(dǎo)技術(shù)的用于特高頻的微波/毫米裝置，以及一種用于生產(chǎn)此類(lèi)裝置的方法。
[0002]置量
[0003]對(duì)于微波應(yīng)用，固體矩形波導(dǎo)和同軸傳輸線由于其在高頻下的低損耗而被使用。然而，當(dāng)頻率按比例放大并且物理特性尺寸按比例縮小時(shí)，它們?cè)谡显诟哳l系統(tǒng)中時(shí)會(huì)經(jīng)歷某些實(shí)際問(wèn)題。已經(jīng)介紹了其他的波導(dǎo)，但其經(jīng)常需要導(dǎo)電側(cè)壁和良好對(duì)準(zhǔn)。即使某些結(jié)構(gòu)不需要實(shí)體壁，它們?cè)趩为?dú)制造的部件之間仍然需要電接觸。用于在毫米波頻率(特別在10GHz以上)下運(yùn)行的金屬波導(dǎo)的傳統(tǒng)機(jī)加工技術(shù)非常復(fù)雜和昂貴。還有，當(dāng)做為組件實(shí)現(xiàn)或在兩個(gè)塊中制造時(shí)，難以在高頻下實(shí)現(xiàn)低損耗和高Q值。原因通常是由于通過(guò)兩個(gè)分離的塊的微小間隙的磁場(chǎng)泄露，該微小間隙原因源于制造瑕疵或熱膨脹所導(dǎo)致的金屬變形。
[0004]除了高頻下的這些制造問(wèn)題之外，有源微波電子電路與金屬波導(dǎo)在高頻下的集成不是非常容易并且經(jīng)常對(duì)工程師構(gòu)成挑戰(zhàn)。當(dāng)今的平面單片微波集成電路(MMIC)與非平面金屬波導(dǎo)不兼容并且需要使用不同的過(guò)渡，這給整個(gè)系統(tǒng)的增加了更多的復(fù)雜性。例如，在IEEE天線及無(wú)線傳播快報(bào)(AWPL) 2009年第8卷84-87頁(yè)，P.-S.希達(dá)爾(P.-S.Kildal)、E.阿方索(E.Alfonso)、A.瓦萊羅-諾蓋拉(A.Valero-Nogueira)、和E.拉約-伊格萊西亞斯(E.Rajo-1glesias)的“平行金屬板之間的間隙中的基于局部超材料的波導(dǎo)(Localmetamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates)，，中對(duì)此進(jìn)行了討論。
[0005]另一方面，微帶和共面波導(dǎo)線是最具有代表性的平面?zhèn)鬏斁€，并且這些是非常適用于在電路板上集成有源微波組件的魯棒、低成本的解決方案。但由于有損耗的介電材料的存在，這些線在毫米波頻譜中都遭受高插入損耗。除此之外，超過(guò)臨界頻率之后，襯底模和所期望的模之間的耦合至關(guān)重要。因此，盡管現(xiàn)有傳輸線的許多有吸引力的特性，其在毫米波頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用仍然關(guān)鍵并且對(duì)問(wèn)題不免疫。
[0006]P-S希達(dá)爾等人在上文所討論的文章中介紹了被稱為脊間隙波導(dǎo)的新波導(dǎo)技術(shù)，并且還在US 2011/0181373A1中對(duì)其進(jìn)行了披露。這種技術(shù)基于沿著平行板導(dǎo)波中的折皺的脊出現(xiàn)的局部波現(xiàn)象。在IEEE微波和無(wú)線組件快報(bào)(2009年)第19卷第536-538頁(yè)，瓦萊羅-諾蓋拉、E.阿方索、J.1.赫蘭斯(J.1.Herranz)、P.-S.希達(dá)爾的“單硬壁波導(dǎo)中的局部準(zhǔn) TEM 間隙模的實(shí)驗(yàn)性不范(Experimental demonstrat1n of local quas1-TEMgap modes in single-hard-wall waveguides)，，中對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步討論。
[0007]在10和20GHz之間示范脊間隙波導(dǎo)本身并使用常規(guī)制作方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。例如，見(jiàn)IEEE微波和無(wú)線組件快報(bào)(2009年)第19卷第536-538頁(yè)，瓦萊羅-諾蓋拉、E.阿方索、J.1.赫蘭斯、P.-S.希達(dá)爾的“單硬壁波導(dǎo)中的局部準(zhǔn)TEM間隙模式的實(shí)驗(yàn)性示范(Experimental demon-strat1n of local quas1-TEM gap modes in single-hard-wallwaveguides)”。
[0008]這些結(jié)構(gòu)使用金屬引腳形式的超材料表面來(lái)創(chuàng)造平行板阻帶，由此將波限制到這些引腳之間的金屬脊。例如，見(jiàn)IEEE關(guān)于天線和傳播快報(bào)事務(wù)(2008年)第56卷第405-415頁(yè)，M.西爾韋里尼亞(M.Silveirinha), C.費(fèi)爾南德斯(C.Fernandes), J.科斯塔(J.Costa)的“金屬引腳形成的紋理表面的電磁表征(Electromagnetic characterizat1nof textured surfaces formed by metallic pins)”。超材料是被設(shè)計(jì)成具有在自然中可能找不到的特性的人工材料。超材料通常從結(jié)構(gòu)而非成分獲得其特性，從而使用較小的不均勻性創(chuàng)造有效的宏觀行為。在兩個(gè)平行金屬板之間不需要導(dǎo)電側(cè)壁或準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)。除引腳之外還可以使用其他周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)阻帶。例如，見(jiàn)IET微波、天線及傳播(2011年)第5卷第282-289頁(yè)，E.拉約-伊格萊西亞斯、P.-S.希達(dá)爾的“用于在間隙波導(dǎo)中使用的釘床、折皺和蘑葫型EBG所實(shí)現(xiàn)的平行板截止帶寬的數(shù)值研宄(Numerical studies ofbandwidth of parallel plate cut-off realized by bed of nails, corrugat1ns andmushroom-type EBG for use in gap waveguides)”。
[0009]對(duì)新提出的間隙波導(dǎo)技術(shù)的初始研宄顯示，這種新技術(shù)具有比微帶線或共平面波導(dǎo)低得多的損耗并且與常規(guī)金屬波導(dǎo)相比還更靈活且更易制造。因此，新提出的這種基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的微波解決方案在低損耗和制造靈活性兩種相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)之間給出了非常好的折衷。還有，這種間隙波導(dǎo)具有抑制腔膜和在重要帶寬上的微帶電路內(nèi)的不想要的傳播的特性并且作為封裝方案被提出。例如，見(jiàn)IEEE微波和無(wú)線組件快報(bào)(2009年)第20卷第31-33頁(yè)，E.拉約-伊格萊西亞斯、A.烏茲扎曼(A.Uz Zaman)、P.-S.希達(dá)爾的“使用釘蓋進(jìn)行微帶電路封裝中的平行板腔模抑制(Parallel plate cavity mode suppress1n inmicrostrip circuit packages using a lid of nails)，，，以及 IEEE 天線和傳播社會(huì)國(guó)際研討會(huì)2010年第1-4頁(yè)，A.烏茲扎曼(A.Uz Zaman)、J.楊(J.Yang)、P.-S.希達(dá)爾的“使用引腳蓋封裝微帶板的以對(duì)無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)用的十一個(gè)天線的端口進(jìn)行解擾(Using lidof pins for packaging of microstrip board for descrambling the ports of elevenantenna for rad1 telescope applicat1ns)”。
[0010]盡管它們?cè)谛纬山M件時(shí)比矩形波導(dǎo)具有優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于100GHz以上的頻率，由于引腳尺寸小，生產(chǎn)這些波導(dǎo)非常具有挑戰(zhàn)性。
[0011]因此，需要一種用于上文所討論類(lèi)型的微波/毫米波裝置的改進(jìn)的和/或更加具有成本效益的制造方法。
[0012]發(fā)曰月概沐
[0013]本發(fā)明的目的是提供上文所討論的類(lèi)型的改進(jìn)的和/或更加具有成本效益的微波/毫米波裝置、以及用于此類(lèi)裝置的制造方法。
[0014]通過(guò)如所附權(quán)利要求書(shū)中所限定的方法和微波/毫米波裝置實(shí)現(xiàn)此目的。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制作微波/毫米波裝置的可伸縮生產(chǎn)方法，如電磁波裝置的全部或一部分、電磁波裝置的屏蔽、或電磁波裝置的封裝，所述微波/毫米波裝置在IGHz和10THz之間的頻率范圍的整個(gè)范圍或一個(gè)或多個(gè)子范圍中的多個(gè)頻率下運(yùn)行，并且包括在所述微波/毫米波裝置的一個(gè)表面上提供一種超材料的步驟。
[0016]在此上下文中，一般通過(guò)結(jié)合亞波長(zhǎng)尺寸的結(jié)構(gòu)元件(即，小于它們所影響的波的波長(zhǎng)的特征)將超材料理解為被設(shè)計(jì)成準(zhǔn)周期性圖案、以及優(yōu)選地周期性圖案從而具有從成分獲得的特性(如精確形狀、幾何結(jié)構(gòu)、尺寸和取向)的材料。超材料在工作頻帶內(nèi)優(yōu)選地充當(dāng)理想磁導(dǎo)體(PMC)，由此起到阻止間隙內(nèi)的波傳播的阻帶的作用。優(yōu)選地，以粧、釘子、柱子、補(bǔ)釘?shù)男问交驈谋砻嬖跍?zhǔn)周期性或周期性圖案中延伸的形式提供超材料。特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)是具有蘑菇狀或倒金字塔狀的柱子/粧，即，在與表面連接或集成的末端具有更小的截面尺寸并在對(duì)端具有更大的截面尺寸。
[0017]在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“微波/毫米波裝置”用于命名任何類(lèi)型的能夠傳輸、傳遞、引導(dǎo)和控制電磁波的傳播的裝置，特別是在裝置的尺寸或其機(jī)械細(xì)節(jié)與波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)(如波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路或傳輸線電路)的高頻下。在下文中，將關(guān)于各實(shí)施例，如波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路或傳輸線電路對(duì)本發(fā)明進(jìn)行討論。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，關(guān)于這些實(shí)施例中的任意一個(gè)所討論的特定有利特征和優(yōu)點(diǎn)也適用于其他實(shí)施例。
[0018]通過(guò)使用微型機(jī)加工，這種類(lèi)型的裝置(如脊間隙波導(dǎo)和其他脊間隙裝置)的制作對(duì)于IGHz以上(并且尤其是10GHz以上，甚至更加優(yōu)選的ITHz以上)的范圍變得可以具有成本效益地生產(chǎn)并且處于可縮放的生產(chǎn)。這使得能夠針對(duì)各種應(yīng)用高效地使用THz波。例如，THz波可用于分子檢測(cè)等。
[0019]該微波/毫米裝置通過(guò)使用兩個(gè)導(dǎo)電材料的平行表面之一上的紋理或多層結(jié)構(gòu)在這些表面之間優(yōu)選地具有一個(gè)窄間隙。場(chǎng)主要存在于該間隙內(nèi)，而不在該紋理或?qū)咏Y(jié)構(gòu)本身中，因此損耗小。該微波/毫米波裝置進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電元件，如這兩個(gè)表面之一中的金屬化脊或凹槽、或者位于這兩個(gè)表面之間的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的金屬帶。波沿著這些導(dǎo)電元件傳播。這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有禁止這些波沿著它們之間的除了該脊、凹槽或帶之外的其他方向上傳播。在特高頻，間隙波導(dǎo)和間隙線可以實(shí)現(xiàn)在IC封裝內(nèi)或芯片本身內(nèi)。
[0020]如上文所討論的，常規(guī)機(jī)加工(如但不限于:鉆孔、碾磨和鋸切)在IGHz以上(并且特別在10GHz以上，如在IGHz和10THz之間的范圍，以及特別在10GHz和1THz之間的范圍)不能按照裝置所要求的精度限定結(jié)構(gòu)。
[0021]為了獲得所要求的高精度，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，微系統(tǒng)制造方法(如深反應(yīng)蝕刻)可以具有成本效益地用于以高精度限定這些結(jié)構(gòu)。還可以使用替代制作方法，如注塑成型或其他微成型工藝。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金屬層可以高效地并以非常好的結(jié)果覆蓋非導(dǎo)電和半導(dǎo)電表面。
[0022]微波/毫米波裝置優(yōu)選地基于如US 2011/0181373中所披露的間隙波導(dǎo)技術(shù)，所述文獻(xiàn)通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。
[0023]確切地，該微波/毫米波裝置優(yōu)選地包括兩個(gè)導(dǎo)電材料的相對(duì)表面，這些表面被安排成用于在其間形成一個(gè)窄間隙，其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)電元件，如設(shè)置在該表面上的導(dǎo)電脊、設(shè)置在該表面上的具有多個(gè)導(dǎo)電壁的凹槽、或安排在該表面的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電帶，并且其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有所述超材料，由此阻止在該間隙內(nèi)的除了沿著所述導(dǎo)電元件之外的其他方向上的波傳播。
[0024]該波導(dǎo)由這些表面之一以及另一表面中的或者金屬脊(脊間隙波導(dǎo))或凹槽(凹槽間隙波導(dǎo))所限定，并且傳輸線由這些表面之一和位于這兩個(gè)面(微帶間隙線)之間的間隙內(nèi)的金屬帶所限定。這些波分別沿著脊、凹槽和帶傳播。這兩個(gè)金屬表面之間不需要金屬連接。這些表面中至少一個(gè)設(shè)置有禁止波在的它們之間除了沿著脊、凹槽或帶之外的其他方向上傳播的手段(如超材料)，例如，通過(guò)使用金屬表面本身內(nèi)的紋理或結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)中的周期性金屬層。該紋理或結(jié)構(gòu)將經(jīng)常是周期性或準(zhǔn)周期性的并且被設(shè)計(jì)成用于與這些波交互，其方式為使得它們作為人工磁導(dǎo)體(AMC)、電磁帶隙(RBG)表面或軟表面宏觀地工作?？梢跃哂醒刂@兩個(gè)金屬表面中的至少一個(gè)的邊緣的實(shí)體金屬壁。此壁可以用于用這些表面之間的良好限定且小的間隙使這些表面相對(duì)比彼此保持在穩(wěn)定的位置上。此壁可以在不影響性能的情況下位于離電路非常近，并且它甚至將為有源集成電路的集成提供良好的封裝解決方案。在特高頻，間隙波導(dǎo)和間隙線可以實(shí)現(xiàn)在IC封裝內(nèi)或芯片本身內(nèi)。
[0025]本發(fā)明的基本幾何結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)平行導(dǎo)電表面。這些表面可以是兩個(gè)金屬塊的表面，但是它們還可以由其他類(lèi)型的具有金屬化表面的材料制成。它們還可以由具有良好導(dǎo)電性的其他材料制成。這兩個(gè)表面可以是平面的或彎曲的，但是它們?cè)趦煞N情況下都被分開(kāi)非常小的距離、間隙，并且傳輸線電路和波導(dǎo)電路形成于這兩個(gè)表面之間的此間隙內(nèi)。該間隙通常充滿空氣，但它還可以完全或部分是填充電介質(zhì)，并且有效地，其尺寸通常小于0.25波長(zhǎng)。
[0026]通過(guò)此紋理或多層結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地以超材料的形式，可以控制這兩個(gè)表面之間的間隙中的波傳播，從而使得它遵循特定路線，從而作為間隙內(nèi)的傳輸線或波導(dǎo)(因此間隙傳輸線和間隙波導(dǎo))出現(xiàn)。通過(guò)將不同長(zhǎng)度、方向和特性阻抗的間隙波導(dǎo)(或傳輸線)連接在一起或集成，并且通過(guò)控制平行的間隙波導(dǎo)(或傳輸線)之間的耦合，可以用與用常規(guī)微帶線，和圓柱狀、矩形或同軸波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)此類(lèi)電路的方式類(lèi)似的方式在這兩個(gè)平行導(dǎo)電面之間實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)(或傳輸線)組件和完整的波導(dǎo)(或傳輸線)。
[0027]在該方法中，在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟可以包含一種硅微制作方法。該硅微制作方法優(yōu)選地是深反應(yīng)離子蝕刻。
[0028]在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟可以另外或可替代地包含使用碳納米纖維或碳納米管。
[0029]在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟可以另外或可替代地包含使用至少一種聚合物來(lái)制作一個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)、以及隨后使該高分辨率結(jié)構(gòu)金屬化。該至少一種聚合物可以包括有圖案的光敏性高縱橫比聚合物，如SU-8。進(jìn)一步地，可以有利地通過(guò)微成型工藝中的至少一種形成所述至少一種聚合物中的至少一種，如注射成型和熱模壓。
[0030]通過(guò)濺射、蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積中的至少一種優(yōu)選地應(yīng)用該金屬化。隨后可以通過(guò)電鍍和無(wú)電式電鍍中的至少一種改進(jìn)該金屬化。
[0031]在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟還可以包含光刻、電鑄、模鑄(平板印刷、電鍍和模塑，LIGA)工藝。
[0032]進(jìn)一步地，在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟可以包含以下步驟:在該表面上濺射金屬層(如0.5um Al層)、在該金屬層上旋壓光刻膠層、擴(kuò)展該光刻膠層、蝕刻所暴露的金屬，例如，使用深反應(yīng)離子蝕刻。在將Al和剩余抗蝕劑剝離之后，該方法可以進(jìn)一步包括濺射金作為晶種層以及進(jìn)行電鍍。
[0033]可以使用常規(guī)機(jī)加工技術(shù)和材料(如印刷電路板技術(shù)、金屬機(jī)加工或金屬化的非金屬)制作所述微波/毫米波裝置的至少一部分。
[0034]進(jìn)一步地，可以使用自由成形或3D成形用金屬或其他導(dǎo)電材料或金屬化的非金屬制作所述微波/毫米波裝置的至少一部分?？梢酝ㄟ^(guò)濺射、蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積中的至少一種應(yīng)用該金屬化?？梢酝ㄟ^(guò)電鍍和無(wú)電式電鍍進(jìn)一步改進(jìn)該金屬化。
[0035]該超材料在某一頻率范圍優(yōu)選地充當(dāng)理想磁導(dǎo)體。
[0036]優(yōu)選地，該微波/毫米波裝置的一個(gè)成品零件是蓋子。該蓋子由此可安排在例如設(shè)置有所述超材料的第二零件上。將該蓋子優(yōu)選地與外緣周?chē)牧硪徊糠诌B接。優(yōu)選地通過(guò)硅熱鍵合、共晶鍵合、陽(yáng)極鍵合和粘結(jié)劑鍵合中的至少一項(xiàng)形成該連接。
[0037]可以在所述微波/毫米波裝置上的法蘭上形成超材料，由此提供與其他裝置等的改進(jìn)的可連接性。
[0038]優(yōu)選地，該微波/毫米波裝置是以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng):波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路、傳輸線電路、諧振器/濾波器、例如用于與矩形波導(dǎo)連接的法蘭、分路器、屏蔽和封裝。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種微波/毫米波裝置，如電磁波裝置、電磁波裝置的屏蔽或電磁波裝置的封裝，所述微波/毫米波裝置在IGHz和10THz之間的頻率范圍的整個(gè)范圍或一個(gè)或多個(gè)子范圍內(nèi)的多個(gè)頻率下運(yùn)行，其中，該微波/毫米波裝置包括安排在其至少一個(gè)表面上的超材料，所述超材料基于蘑菇狀或倒金字塔狀柱子。
[0040]由此，如上文關(guān)于第一實(shí)施例所討論的類(lèi)似優(yōu)點(diǎn)和特定特征是可獲得且可實(shí)現(xiàn)的。
[0041]該超材料在工作頻率范圍內(nèi)優(yōu)選地充當(dāng)理想磁導(dǎo)體。
[0042]如上文所討論的，微波/毫米波裝置優(yōu)選地基于如US 2011/0181373中所披露的間隙波導(dǎo)技術(shù)，所述文獻(xiàn)通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。具體地，該微波/毫米波裝置優(yōu)選地包括兩個(gè)導(dǎo)電材料的相對(duì)表面，這些表面被安排成用于在其間形成一個(gè)窄間隙，其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)電元件，如設(shè)置在該表面上的導(dǎo)電脊、設(shè)置在該表面上的具有多個(gè)導(dǎo)電壁的凹槽、或安排在該表面的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電帶，并且其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有所述超材料，由此阻止在該間隙內(nèi)的除了沿著所述導(dǎo)電元件之外的其他方向上的波傳播。
[0043]可以將超材料設(shè)置在所述微波/毫米波裝置的法蘭上。通過(guò)此類(lèi)法蘭，提供了一種將不同的無(wú)源和有源高頻電路的波導(dǎo)或傳輸線連接在一起的方式，該方式移除或至少?gòu)?qiáng)有力地減少與來(lái)自連接點(diǎn)的輻射、避免不想要的外部場(chǎng)進(jìn)入波導(dǎo)或傳輸線的屏蔽、以及兩相對(duì)的傳輸線或波導(dǎo)的特征阻抗的匹配相關(guān)的問(wèn)題。進(jìn)一步地，該連接變得對(duì)容差不那么敏感，具體由于出于傳輸目的不需要此類(lèi)法蘭之間的金屬連接。將這些法蘭優(yōu)選地安排成從波導(dǎo)的末端延伸出來(lái)。
[0044]優(yōu)選地，該微波/毫米波裝置是以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng):波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路、傳輸線電路、諧振器/濾波器、例如用于與多個(gè)波導(dǎo)連接的法蘭、分路器、屏蔽和封裝。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，提供了一種包括超材料的用于和電磁波裝置一起使用的法蘭。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，提供了一種在表面上安排有超材料的電磁波裝置，所述超材料包括任意形狀的柱子、補(bǔ)釘或其他形式。
[0047]由此，如上文關(guān)于第一實(shí)施例所討論的類(lèi)似優(yōu)點(diǎn)和特定特征是可獲得且可實(shí)現(xiàn)的。
[0048]本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)和特征將在以下特定實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中變得清晰。
[0049]MM
[0050]現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)施例并參照附圖更詳細(xì)地討論本發(fā)明，在附圖上:
[0051]圖1示出了雙向功率分配器或組合器作為發(fā)明實(shí)施例的組件的示例。通過(guò)在金屬表面之間使用脊間隙波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)該組件。在提升的位置示出上金屬表面以露出下表面上的紋理。
[0052]圖2a和圖2b在透視圖(2a)和在截面視圖(2b)兩者中示出了在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的脊間隙波導(dǎo)中沿著90度彎曲的輸入線的切割。
[0053]圖3、圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的凹槽間隙波導(dǎo)的三個(gè)示例的截面。
[0054]圖6a_e示出了作為制作工藝的示例的工藝計(jì)劃中的各個(gè)階段，該制作工藝是本發(fā)明的實(shí)施例。
[0055]圖7a和圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中，圖7a是脊間隙波導(dǎo)，并且圖7b是脊間隙諧振器。
[0056]圖8是展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)示例性諧振器進(jìn)行的測(cè)量和仿真的結(jié)果的示意圖。
[0057]圖9和圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的無(wú)接觸式引腳-法蘭適配器的展示。圖9是引腳-法蘭表面的設(shè)計(jì)，并且圖10是引腳-法蘭適配器原型。
[0058]圖11是所提出的工藝所執(zhí)行并根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成的經(jīng)微機(jī)加工的柱子的SEM圖片。
[0059]附圖詳細(xì)說(shuō)明
[0060]在下文中，將關(guān)于這些類(lèi)型的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行討論，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，關(guān)于這些實(shí)施例中的任意一個(gè)所討論的特定有利特征和優(yōu)點(diǎn)還適用于其他實(shí)施例。
[0061]圖1示出了功率分配器或組合器，作為發(fā)明實(shí)施例的組件的示例。有兩個(gè)提供上I和下2導(dǎo)電表面的金屬化部件。上表面是光滑的，而下表面是有結(jié)構(gòu)的。環(huán)繞該結(jié)構(gòu)/紋理，形成超材料，存在該上表面可以固定至的環(huán)繞邊緣3，以及低于該邊緣并由此當(dāng)安裝上表面時(shí)在上和下表面之間提供間隙4的區(qū)域。金屬化的脊5正在形成雙臂叉，并且環(huán)繞該脊，存在為在下和上表面之間傳播的除了沿著脊5的期望波之外的所有波提供截止條件的金屬化的粧6。如前文所討論的，這些金屬化的粧在此形成超材料。在工作頻帶內(nèi)，這些粧以類(lèi)似于理想磁導(dǎo)體(PMC)的方式工作。上金屬部件內(nèi)存在用于將其固定至下金屬部件金屬邊緣3的螺孔8，并且在此邊緣內(nèi)存在匹配螺孔7。顯示用螺絲進(jìn)行安裝，但還可以使用微型機(jī)加工制作中更常見(jiàn)的其他方法，如硅熱鍵合、共晶鍵合、陽(yáng)極鍵合、粘結(jié)劑鍵合。
[0062]圖2a和圖2b示出了怎樣定位波阻面以阻止靠近90度彎曲的波繼續(xù)直著向前傳播。將這些波表示為指向傳播方向的波狀箭頭。箭頭的長(zhǎng)度表示不同波的振幅。靠近的波可以反而或者被反射(不希望)或者左轉(zhuǎn)(希望)?？梢酝ㄟ^(guò)正確地切割如所示的彎曲的拐角來(lái)實(shí)現(xiàn)波的期望轉(zhuǎn)向。
[0063]圖3、圖4和圖5示出了不同的凹槽間隙波導(dǎo)，但它還可以處于上表面，或者在兩個(gè)表面內(nèi)可以存在兩個(gè)相對(duì)凹槽。凹槽20設(shè)置在下表面中。在圖3和圖4中，凹槽支持水平偏振波，前提是從頂表面到凹槽底部的距離通常大于圖3中的0.5波長(zhǎng)并且大于圖4中的0.25波長(zhǎng)。當(dāng)凹槽的寬度大于0.5波長(zhǎng)時(shí)，圖5中的凹槽支持垂直偏振波。圖3和圖4中的凹槽的寬度應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地比0.5波長(zhǎng)更窄，并且從圖5中的凹槽底部到上表面的距離應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地有效地小于0.5波長(zhǎng)(取決于間隙尺寸甚至可以更小)，均為了保證單模傳播。圖3和圖5中的下表面、以及圖4中的上表面設(shè)置有波阻表面14。該波阻表面可以具有任何防止波泄露出凹槽20的實(shí)現(xiàn)形式。
[0064]圖6示出了作為制作工藝的示例的工藝計(jì)劃中的各個(gè)順序階段，該制作工藝是本發(fā)明的實(shí)施例。在第一步驟，在(a)中所展示，在表面上濺射0.5μπι的Al層。在第二步驟，在(b)中所展示，將薄光刻膠層濺射到該Al層上。在第三步驟，在(c)中所展示，擴(kuò)展光刻膠并對(duì)所暴露的Al進(jìn)行蝕刻。在第四步驟，在(d)中所展示，在剝離Al和剩余的抗蝕劑之后，用深反應(yīng)離子蝕刻來(lái)限定柱子。在最后一步驟，在(e)中所展示，濺射(晶種層)和電鍍金。
[0065]作為實(shí)驗(yàn)性確認(rèn)，現(xiàn)在將更詳細(xì)地討論針對(duì)220-325GHZ的示例性經(jīng)微機(jī)加工的脊間隙波導(dǎo)和諧振器。如前文中所討論的，脊間隙波導(dǎo)是基本上新的高頻波導(dǎo)，該波導(dǎo)在分離塊之間不需要任何電接觸，并且該波導(dǎo)使其與矩形波導(dǎo)相比具有優(yōu)點(diǎn)，該矩形波導(dǎo)是現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)常通過(guò)碾磨制作矩形波導(dǎo)。然而，構(gòu)造10GHz以上的波導(dǎo)時(shí)存在問(wèn)題。如已經(jīng)討論的，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，MEMS技術(shù)可以提供高精度的制作并因此支持新類(lèi)型的高頻組件的路線。
[0066]在此與“微機(jī)電系統(tǒng)”(也寫(xiě)作微型-電子-機(jī)械(micro-electro-mechanical)、微電子機(jī)械(MicroElectroMechanical)或微電子(microelectronic)和微機(jī)電(microelectromechanical)系統(tǒng))相關(guān)的MEMS是非常小的裝置技術(shù)；它以納米尺度出現(xiàn)在納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)和納米技術(shù)中。MEMS還被稱為微型機(jī)、或微型系統(tǒng)技術(shù)一MST^EMS通常由尺寸在I至100微米(即，0.001至0.1mm)之間的組件構(gòu)成，并且MEMS裝置的尺寸通常在從20微米(百萬(wàn)分之20米)至若干毫米(即，0.02至1mm)的范圍內(nèi)。
[0067]在下文中將討論的示例中，使用MEMS技術(shù)針對(duì)220-325GHZ的頻率制造了脊間隙波導(dǎo)和脊間隙諧振器。支持封裝被設(shè)計(jì)成能支持裝置測(cè)量。
[0068]如圖7a和圖7b中所示，兩個(gè)裝置被制作成形成彎曲線波導(dǎo)和諧振器。波導(dǎo)的原理基于具有平行于全磁導(dǎo)(PMC)表面的全電導(dǎo)(PEC)表面，該全磁導(dǎo)表面中嵌入有導(dǎo)電脊。通過(guò)形成超材料的引腳表面獲得PMC，如在IEEE天線及無(wú)線傳播快報(bào)(AWPL) 2009年第8卷第84-87頁(yè)，P.-S.希達(dá)爾、E.阿方索、A.瓦萊羅-諾蓋拉、和E.拉約-伊格萊西亞斯的“平行金屬板之間的間隙中的基于局部超材料的波導(dǎo)(Local metamaterial-based waveguidesin gaps between parallel metal plates) ”中所討論的，所述文獻(xiàn)通過(guò)引用以其全文結(jié)合在此。
[0069]通過(guò)引腳表面禁止波遠(yuǎn)離脊傳播。對(duì)封裝進(jìn)行碾磨以在測(cè)量過(guò)程中支持硅芯片。這些封裝充當(dāng)從脊間隙波導(dǎo)到標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的接口或過(guò)渡。
[0070]模擬顯示脊間隙波導(dǎo)的反射系數(shù)在240和340GHz之間低于_15dB。如圖8中所看到的，針對(duì)具有無(wú)負(fù)載Q值336和527的脊間隙諧振器分別在234GHz和284GHz頻率測(cè)量?jī)蓚€(gè)共振峰值。在對(duì)電接觸沒(méi)有嚴(yán)格要求的情況下，脊間隙波導(dǎo)和諧振器兩者都具有獲得與矩形波導(dǎo)相似性能的可能性，從而簡(jiǎn)化制作和組裝技術(shù)。
[0071]在另一示例中，如圖9和圖10所示，針對(duì)高頻測(cè)量，考慮基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的無(wú)接觸引腳-法蘭適配器。在此，圖9是示出了引腳-法蘭表面的設(shè)計(jì)，并且圖10示出了引腳-法蘭-適配器原型。常規(guī)地，使用標(biāo)準(zhǔn)(WR)法蘭，這些要求良好的電接觸并對(duì)小間隙敏感。已經(jīng)針對(duì)頻率范圍220-325GHZ制作和展示了引腳-法蘭適配器，并且該引腳_法蘭適配器不需要電接觸并且與標(biāo)準(zhǔn)法蘭或扼流法蘭相比仍將顯示類(lèi)似或更好的結(jié)果。
[0072]圖11展示了超材料的有利的幾何結(jié)構(gòu)和形狀，在此，以上文所討論的方法可獲得的粧/柱子的形式。如此SEM圖片中清晰看到的，獲得了蘑菇狀或倒金字塔狀粧/柱子，即，在與表面連接或集成的末端具有更小的截面尺寸并在對(duì)端具有更大的截面尺寸的柱/柱子。
[0073]本發(fā)明不局限于在此所示的實(shí)施例。具體地，除了上文所討論的那些之外，微波/毫米波裝置還可用于許多類(lèi)型的高頻裝置。進(jìn)一步地，超材料的不同實(shí)現(xiàn)形式是可行，如粧、柱子、補(bǔ)釘、釘?shù)?，并且具有不同的幾何結(jié)構(gòu)、形狀等。進(jìn)一步地，可以將超材料安排在這兩個(gè)表面中的任意一個(gè)上、或甚至兩個(gè)表面上。進(jìn)一步地，可以用各種方式將這兩個(gè)表面連接，并且腔不需要關(guān)閉而可以在一側(cè)或若干側(cè)打開(kāi)。進(jìn)一步地，導(dǎo)電表面不需要機(jī)械地固定于彼此上，并且還有，除了上文所討論的示例之外，用于機(jī)械互連的許多替代選項(xiàng)是可行的。仍進(jìn)一步地，其他類(lèi)型的MEMS和微機(jī)加工可用于獲得與上文所討論的結(jié)果類(lèi)似的結(jié)果。此類(lèi)和其他相關(guān)修改應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為在如所附權(quán)利要求書(shū)中所限定的專(zhuān)利范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制作微波/毫米波裝置的可伸縮生產(chǎn)方法，如電磁波裝置的全部或一部分、電磁波裝置的屏蔽、或電磁波裝置的封裝，所述微波/毫米波裝置在IGHz和10THz之間的頻率范圍的整個(gè)范圍或一個(gè)或多個(gè)子范圍中的、以及優(yōu)選地10GHz以上的頻率范圍中的多個(gè)頻率下運(yùn)行，并且包括在所述微波/毫米波裝置的一個(gè)表面上提供一種超材料的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該微波/毫米波裝置包括兩個(gè)導(dǎo)電材料的相對(duì)表面，這些表面被安排成用于在其間形成一個(gè)窄間隙，其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)電元件，如設(shè)置在該表面上的導(dǎo)電脊、設(shè)置在該表面上的具有多個(gè)導(dǎo)電壁的凹槽、或安排在該表面的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電帶，并且其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有所述超材料，由此阻止在該間隙內(nèi)的除了沿著所述導(dǎo)電元件之外的其他方向上的波傳播。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟包含一種硅微制作方法。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，該硅微制作方法是深反應(yīng)離子蝕刻。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟包含使用碳納米纖維或碳納米管。
6.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟包含使用至少一種聚合物來(lái)制作一個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)、以及隨后使該高分辨率結(jié)構(gòu)金屬化。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，該至少一種聚合物包括一種有圖案的光敏性高縱橫比聚合物，如SU-8。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，由以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)形成所述至少一種聚合物中的至少要一種:微成型工藝，如注射成型，或熱模壓。
9.如權(quán)利要求6至8中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，通過(guò)濺射、蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積中的至少一種來(lái)應(yīng)用該金屬化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，隨后通過(guò)電鍍和無(wú)電式電鍍中的至少一種對(duì)該金屬化進(jìn)行改進(jìn)。
11.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟包含一種光刻、電鑄、模鑄(平板印刷、電鍍和模塑，LIGA)工藝。
12.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述在該微波/毫米波裝置的所述表面上提供所述超材料的步驟包含以下步驟:在該表面上濺射一個(gè)如0.5um鋁層金屬層，在該金屬層上旋壓一層光刻膠層，擴(kuò)展該光刻膠層，以及蝕刻所暴露的金屬，將該金屬層用作一個(gè)掩膜以進(jìn)行進(jìn)一步加工，例如使用深反應(yīng)離子蝕刻。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在剝?nèi)ヤX和剩余抗蝕劑之后濺射金作為一個(gè)晶種層以及進(jìn)行電鍍的步驟。
14.如權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，使用常規(guī)機(jī)加工技術(shù)和材料，如印刷電路板技術(shù)、金屬機(jī)加工或多種金屬化的非金屬，來(lái)制作所述微波/毫米波裝置的至少一部分。
15.如權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，使用自由成形或3D成形用金屬或其他導(dǎo)電材料或金屬化的非金屬制作所述微波/毫米波裝置的至少一部分。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，通過(guò)濺射、蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積中的至少一種來(lái)應(yīng)用該金屬化。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，通過(guò)電鍍或無(wú)電式電鍍對(duì)該金屬化進(jìn)行改進(jìn)。
18.如權(quán)利要求1至17中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，該超材料在某一頻率范圍充當(dāng)一個(gè)理想磁導(dǎo)體。
19.如權(quán)利要求1至18中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，該微波/毫米波裝置的一個(gè)成品零件是一個(gè)蓋子。
20.如權(quán)利要求1至19中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，該超材料形成于所述微波/毫米波裝置上的一個(gè)法蘭上。
21.如權(quán)利要求1至20中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，該微波/毫米波裝置是以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng):波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路、傳輸線電路、諧振器/濾波器、例如用于與多個(gè)矩形波導(dǎo)連接的法蘭、分路器、屏蔽和封裝。
22.一種微波/毫米波裝置，如電磁波裝置、電磁波裝置的屏蔽或電磁波裝置的封裝，所述微波/毫米波裝置在IGHz和10THz之間的頻率范圍的整個(gè)范圍或一個(gè)或多個(gè)子范圍內(nèi)的頻率下運(yùn)行，其中，該微波/毫米波裝置包括一種安排在其至少一個(gè)表面上的超材料，所述超材料基于多個(gè)蘑菇狀或倒金字塔狀柱子。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，該超材料在工作頻率范圍內(nèi)充當(dāng)一個(gè)理想磁導(dǎo)
24.如權(quán)利要求22或23所述的裝置，其中，該微波/毫米波裝置包括兩個(gè)導(dǎo)電材料的相對(duì)表面，這些表面被安排成用于在其間形成一個(gè)窄間隙，其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有至少一個(gè)導(dǎo)電元件，如設(shè)置在該表面上的導(dǎo)電脊、設(shè)置在該表面上的具有多個(gè)導(dǎo)電壁的凹槽、或安排在該表面的多層結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)電帶，并且其中，這些表面中的至少一個(gè)設(shè)置有所述超材料，由此阻止在該間隙內(nèi)的除了沿著所述導(dǎo)電元件之外的其他方向上的波傳播。
25.如權(quán)利要求22至24中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中，該超材料形設(shè)置于所述微波/毫米波裝置的一個(gè)法蘭上。
26.如權(quán)利要求22至25中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中，該微波/毫米波裝置是以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng):波導(dǎo)、傳輸線、波導(dǎo)電路、傳輸線電路、諧振器/濾波器、例如用于與多個(gè)矩形波導(dǎo)連接的法蘭、分路器、屏蔽和封裝。
27.—種法蘭，包括一種用于和電磁波裝置一起使用的超材料。
28.—種表面上安排有超材料的電磁波裝置，所述超材料包括多個(gè)任意形狀的柱子、補(bǔ)釘或其他形式。
29.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中，該超材料在某一頻率范圍內(nèi)充當(dāng)一個(gè)理想磁導(dǎo)
30.如權(quán)利要求22至29中任意一項(xiàng)所述的裝置，其中，根據(jù)權(quán)利要求1至21中任意一項(xiàng)生產(chǎn)所述裝置。
【文檔編號(hào)】H01P11/00GK104488134SQ201380031730
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】波爾-西蒙·基爾代爾, 舒爾德·哈斯?fàn)? 彼得·埃諾克松 申請(qǐng)人:加普韋夫斯公司