用于太赫兹超导混频阵列的MEMS体硅集成天线与封装技术

Terahertz band is significant for astronomical observation, showing more secrets of the universe. Terahertz superconducting mixer receiver is a kind of typical high-sensitivity astronomical detecting instrument. The antenna and mixer chip package are key components of terahertz receiver front-end. The metal horn antenna and metal package, which are difficult to form integrated array, are always used in recent terahertz superconducting receiver. For large-scale terahertz receiver array, antenna technology and chip package technology are key problems. To solve these problems, this project will focus on the high performance integrated corrugated horn antenna and superconducting mixer chip integrated package above 0.4THz, by bulk-silicon MEMS technology. The electromagnetic field theory analysis, numerical modeling and simulation, and low temperature superconducting experiment will be used. The high gain, high efficiency and gaussian beam technologies of bulk-silicon MEMS integrated corrugated horn antenna, along with the efficient matching technology of integrated package, will be detailed researched. These achieved technologies, including antenna and integrated package, are important basics of large-scale terahertz superconducting mixer array receiver for astronomical observation.

太赫兹波是天文探测领域的重要波段，太赫兹波探测对提升人类认知宇宙的能力有重要意义。太赫兹超导混频接收机是具有代表性的高灵敏天文探测设备。天线及混频芯片封装是太赫兹接收前端系统的关键组件。当前，太赫兹超导接收机多采用独立的金属喇叭天线和金属封装，很难进行高集成度阵列扩展。大规模太赫兹阵列接收机发展很大程度受到天线及芯片封装技术的制约。课题拟研究基于MEMS体硅工艺技术的适合大规模太赫兹超导接收阵列应用的0.4THz以上频段高性能集成波纹喇叭天线，及该天线与超导混频芯片一体化封装。通过电磁场理论分析、电磁场数值建模与仿真、低温超导实验验证等手段，研究MEMS体硅工艺集成波纹喇叭天线的高增益、高效率和高斯波束技术，以及天线与超导混频芯片一体化封装的高效匹配技术。课题将取得用于天文探测接收阵列的集成天线，及天线与超导混频芯片一体化封装技术，为研制大规模太赫兹超导混频阵列接收机提供基础技术支撑。

太赫兹波是天文探测领域的重要波段，太赫兹波探测对提升人类认知宇宙的能力有重要意义。太赫兹超导混频接收机是具有代表性的高灵敏天文探测设备。天线及混频芯片封装是太赫兹接收前端系统的关键组件。当前，太赫兹超导接收机多采用独立的金属喇叭天线和金属封装，很难进行高集成度阵列扩展。大规模太赫兹阵列接收机发展很大程度受到天线及芯片封装技术的制约。本课题研究了太赫兹体硅多层复合天线，突破体硅基片厚度限制，提出了一种利用体硅多层复合方法实现的太赫兹高增益高斯波束天线。融合天线设计方法与体硅干法刻蚀工艺特点，探讨了多层复合层间结构配合协议和精确对位方案，实现了可工作于太赫兹频段的体硅准对角喇叭天线和波纹喇叭天线，在500GHz附近测试了端口特性和辐射特性，得到低副瓣高增益高斯波束。解决了具备高增益特性和阵列扩展潜力的高斯波束馈源问题。研究了太赫兹体硅馈电网络和滤波器件。探讨了一种太赫兹体硅馈电功分网络应用性能实验评估方法，采用多端口馈电网络与天线阵列整体制备、整体测试的方案，间接验证了馈电网络设计的有效性。并提出了一种二维金属电磁晶体结构太赫兹腔体带通滤波器。采用电磁晶体材料结合双模谐振腔的方案，实现了较高的带内传输效率和较好的带外衰减，完成了双腔滤波器和三腔滤波器体硅样品制备，测得了325-500GHz端口特性，仿真结果与测试结果吻合良好，验证了电磁晶体材料可用于太赫兹器件设计实现。研究了太赫兹体硅AiP集成接收技术。从系统集成度和可实现性方面，分析并对比了几种可利用体硅工艺实现的太赫兹AiP系统构架，并选择了体硅AiP模块集成超导接收机作为验证性实验对象。基于实验关键问题分析和测试平台搭建，完成了接收系统的噪声温度测试，并分析了不同种类单元的性能差异性和同种单元的一致性，表明太赫兹体硅AiP模块方案可行，为更复杂的AiP集成方案实现打下技术基础。