[论文解读] Corrugated Silicon Platelet Feed Horn Array for CMB Polarimetry at 150 GHz

J. Britton, J. P. Nibarger+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2010

Superconducting and THz Device Technology参考文献 2被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于深反应离子蚀刻（DRIE）和金镀层工艺的晶圆级制造的锯齿状硅片馈电喇叭阵列，用于150 GHz宇宙微波背景（CMB）偏振测量。该方法实现了高旁瓣对称性、低交叉极化（< -23 dB）和低旁瓣电平（< -25 dB）。84单元原型阵列在120–170 GHz频段内表现出与电铸馈电喇叭相当的性能，插入损耗约为-0.2 dB，回波损耗低于-20 dB。

ABSTRACT

Next generation cosmic microwave background (CMB) polarization anisotropy measurements will feature focal plane arrays with more than 600 millimeter-wave detectors. We make use of high-resolution photolithography and wafer-scale etch tools to build planar arrays of corrugated platelet feeds in silicon with highly symmetric beams, low cross-polarization and low side lobes. A compact Au-plated corrugated Si feed designed for 150 GHz operation exhibited performance equivalent to that of electroformed feeds: ~-0.2 dB insertion loss,

研究动机与目标

• 开发一种与下一代CMB偏振测量兼容的单片式、晶圆级馈电喇叭阵列，适用于超导探测器阵列。
• 通过硅微加工技术克服电铸工艺的局限，实现高精度、热匹配良好且高密度排列的馈电喇叭阵列。
• 实现与电铸馈电喇叭相当的性能指标——低插入损耗、低回波损耗、低交叉极化和低旁瓣电平。
• 实现直径达150 mm的可扩展阵列制造，适用于未来SPTpol和ACTpol等CMB实验。

提出的方法

• 在76.2 mm和100 mm直径的硅片上，利用光刻定义的孔径，通过深反应离子蚀刻（DRIE）工艺制造单个硅片。
• 采用重叠蚀刻掩膜和两步DRIE工艺，实现高达约50:1的高深宽比结构，横向分辨率±5 µm。
• 在蚀刻后的硅片上进行Au镀层，形成具有高表面电导率的导电、锯齿状波导结构。
• 使用定位销和环氧树脂将硅片堆叠组装成阵列，并与硅基单片式TES偏振计数阵列集成。
• 通过S参数测量（S11）以及在130、150和170 GHz频点的远场波束图仿真与实测，表征性能。
• 利用模场匹配仿真（Microwave Wizard）优化喇叭设计，实现正弦平方膨胀轮廓，以实现频率无关的相位中心。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以规模化方式制造出单片式硅片馈电喇叭阵列，其性能可与电铸馈电喇叭在150 GHz CMB偏振测量中相媲美？
• RQ2 基于DRIE的硅微加工技术在多大程度上能够实现高精度、高密度且热匹配良好的馈电喇叭阵列，适用于低温探测系统？
• RQ3 在150 GHz频段，所制造的硅片馈电喇叭阵列可实现的插入损耗、回波损耗、交叉极化和旁瓣电平水平是多少？
• RQ4 在波束对称性和频率稳定性方面，硅基馈电喇叭阵列与电铸对照样品相比性能如何？

主要发现

• 镀金的锯齿状硅片馈电喇叭在130–170 GHz频段内实现了约-0.2 dB的插入损耗，性能与电铸馈电喇叭相当。
• 在120–170 GHz频段内回波损耗低于-20 dB，表明阻抗匹配良好，信号反射极低。
• 在130、150和170 GHz频点，交叉极化电平低于-23 dB，证实了高偏振纯度。
• 在相同频率范围内，旁瓣电平低于-25 dB，有效抑制了杂散耦合与波束污染。
• 波束对称性优异，仿真与实测波束图均显示在整个频段内主瓣一致且对称。
• 该制造工艺支持直径达150 mm的阵列，目前正制造一个50 mm直径的84单元阵列（含33个硅片）原型。