CN102163766B - 片上集成贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种片上集成贴片天线，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，所述介质层位于所述金属贴片和金属地之间。本发明的片上集成贴片天线，能够改善天线的辐射性能，且制作过程较为简单，成本也较低。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种片上集成贴片天线。
背景技术
近年来无线通信发展迅猛。随着对低成本、宽带、高速和小型无线设备，特别是毫米波频段设备需求的日益增多，片上系统（SoC）成为解决上述要求的重要方案。现有片上系统(SoC)，系统级封装(SIP)技术已经可以将接收器射频前段、中频以及数字基带各部分电路集成在一个微型封装之中。为了实现一个完整的片上系统，片上集成天线技术成为我们需要研究的主要问题。
在毫米波频段中，60GHz十分引人关注。对于高速互联网、数据通信，特别是无线个人局域网(WPAN)应用，60GHz均是一个极佳的频带，因为它不需要使用许可，同时具有很高的频率复用率以及7GHz的连续带宽（其它不需使用许可的频带，带宽都小于0.3GHz）。同时CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）和BiCMOS技术的发展使电路和系统可以工作在毫米波频段，所需的天线尺寸也相应减小，使得片上集成天线成为可能。
然而，利用标准CMOS制造工艺对片上天线进行集成依然存在很多问题，其中最主要的就是硅材料的影响。一方面硅基较之空气(εr≈1)具有较高的介电常数(εr＝11.9),硅基会将大部分的辐射能量约束在材料中而不是将其辐射到空间，造成天线整体辐射效率不高。另一方面，工业界常用硅片的电阻率仅为10Ω·cm左右，呈现高损耗特性，进一步恶化了辐射性能。因此，一般的天线结构由于高损耗硅基的影响，使得所实现的辐射性能均不理想，绝对增益均小于0dBi。同时，虽然通过质子注入提高硅基电阻率，添加介质透镜、采用深反应离子刻蚀DRIE法完成硅基微加工等方法可以改善辐射性能，然而工艺相对复杂会大大提高制造成本，并且与现有的标准CMOS工艺不兼容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种片上集成贴片天线，能够改善天线的辐射性能，且制作过程较为简单，成本也较低。
为了解决上述问题，本发明公开了一种片上集成贴片天线，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置倒置于所述片外装置上，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，或者，在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体，所述金属贴片单元具有馈电端口，所述馈电导体与所述金属贴片单元连接；所述介质层位于所述金属贴片单元和金属地之间。
进一步地，当在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体时，所述馈电导体通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。
进一步地，当在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体时，所述贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的支撑件，所述支撑件的厚度与所述馈电导体的厚度相同。
进一步地，所述支撑件通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。
进一步地，所述金属贴片单元采用铜、银或金具有良好导电性能的金属制成。
进一步地，所述金属贴片单元的厚度根据工作频率确定，大于对应的工作频率下金属的趋附深度。
进一步地，所述金属贴片单元的厚度至少为对应的工作频率下金属的趋附深度的六倍。
进一步地，所述金属贴片单元的沿X轴方向的尺寸与对应工作频率的半波长基本相等，所述金属贴片单元沿Y轴方向的尺寸通过仿真结果确定。
进一步地，所述介质层采用射频低损耗介质材料制成，所述介质层的介电常数与空气的介电常数基本相同。
进一步地，所述介质层的厚度根据天线工作带宽确定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的片上集成贴片天线通过将片上装置倒置于片外装置上，并且金属贴片单元与金属地之间通过射频低损耗介质层隔开，因为射频低损耗介质层与空气的介电常数基本相同，所以可以看成在金属贴片装置与金属地之间形成了一个腔体。此结构可以使贴片天线的能量通过倒置的金属贴片单元与金属地之间的腔体，在金属贴片单元沿X轴的最边缘两个端面产生辐射，而不是直接由辐射元中心部分向正上方空间进行辐射，避免大部分能量被片上装置的低阻硅片吸收。同时，通过设置片外装置和倒置片上装置，使介质层在金属贴片装置与金属地之间形成具有足够厚度的腔体，避免了在硅片上直接采用双层金属结构时金属间距过小、金属损耗显著的问题，使谐振能量在到达辐射端口之前具有较小的损耗。
同时，因为是通过将片上装置倒置于片外装置上的方式来避免高损耗硅片对天线性能的影响，所以本发明的贴片天线仍然能够通过CMOS工艺来实现，所以制作过程较为简单，成本也较低。
附图说明
图1是本发明实施例一的片上集成贴片天线的结构示意图；
图2是本发明实施例二的片上集成贴片天线的结构示意图；
图3是图2所示的片上集成贴片天线的主视图；
图4是本发明的片上集成贴片天线的电场分布图；
图5是本发明的片上集成贴片天线的仿真回波损耗图线；
图6是本发明的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真E面方向图；
图7是本发明的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真H面方向图；
图8是本发明的片上集成贴片天线在工作频段内的仿真增益和辐射效率图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1和图2，示出本发明的一种片上集成贴片天线100包括片上装置10和片外装置30，该片上装置10倒置于片外装置30上。
片上装置10包括硅片11、隔离层12和金属贴片单元13。
其中，硅片11为低阻硅片，其介电常数、电阻率可以根据实际需要来选取。本实施例中，硅片11的介电常数为11.9，电阻率为10Ω·cm。其厚度也可以根据实际情况来选取，一般情况下，为了减少高损耗硅片对辐射性能的影响，可以在工艺允许的情况下采用尽量薄的硅片。通常情况下，硅片11的厚度可以为150um至250um之间。
隔离层12采用二氧化硅制成，与硅片11贴合。在实际的制作过程中，可以采用标准的CMOS工艺将隔离层12直接制作在硅片11上。因为隔离层12用于隔离硅片11与金属贴片单元13，所以隔离层12的厚度可以选取一般的制作工艺所能实现的最大厚度，以实现较好的隔离效果。通常情况下，隔离层的厚度可以为3um至8um之间。
金属贴片单元13与隔离层12贴合，即隔离层12位于硅片11和金属贴片单元13之间。在实际的制作过程中，也可以采用标准的CMOS工艺将金属贴片单元13直接制作在隔离层12上。因为金属贴片单元13为贴片天线的主辐射元，其厚度可以根据相应频率下特定金属的趋附深度和对应的制作工艺所能实现的最大厚度来确定。一般情况下，如果制作工艺条件允许，金属贴片单元13的厚度至少需要大于相应频率下特定金属的趋附深度，最好能达到趋附深度的六倍以上，以减少金属损耗所带来的影响。金属贴片单元13采用导电良好的金属制成，如铜、银或金。
硅片11、隔离层12和金属贴片单元13的长度（沿X轴方向的尺寸）与宽度（沿Y轴方向的尺寸）分别用于确定片上装置10的工作频率和调节阻抗匹配，其长度一般与工作频率的半波长基本相等，其宽度尺寸可以根据仿真结果确定其最优值。在60GHz工作频带，综合考虑硅片11和隔离层12的介质加载效应，三者的长度一般为800um至900um，三者的宽度为1000um至1500um。
片外装置30包括介质层31及金属地32。片上装置10倒置于片外装置30上，即金属贴片单元13与片外装置30的介质层31贴合。介质层31为射频低损耗介质材料制成，设置于金属贴片装置13与金属地32之间，将二者隔开。其中，介质层31的厚度与片上集成贴片天线100的工作带宽相关联，可以根据仿真结果来确定其最优值。金属地32的厚度可以根据相应频率下特定金属的趋附深度和对应的制作工艺所能实现的最大厚度来确定，其确定方式与金属贴片单元13的厚度的确定方式相同。在60GHz工作频带，介质层31的厚度一般为150um至350um，金属地32的厚度为0.8um至2um。金属地32也采用导电良好的金属制成，如铜、银、金。
介质层31及金属地32用于为主辐射元的金属贴片单元13提供足够大的地板，保证辐射主要沿Z轴正方向。所以可以根据片上装置10的长度与宽度以及工作频率来确定介质层31和金属地32的长度（沿X轴方向的尺寸）与宽度（沿Y轴方向的尺寸）。在60GHz工作频带，介质层31和金属地32的长度一般为4000um至8000um，两者的宽度为3000um至7000um。
本发明的片上集成贴片天线100通过将片上装置10倒置于片外装置30上，并且金属贴片单元13与金属地32之间通过射频低损耗介质层31隔开，因为射频低损耗介质层31与空气的介电常数基本相同，所以可以看成在金属贴片装置13与金属地32之间形成了一个腔体。此结构可以使贴片天线的能量通过倒置的金属贴片单元13与金属地32之间的腔体，在金属贴片单元13沿X轴的最边缘两个端面产生辐射，而不是直接由辐射元中心部分向正上方空间进行辐射，避免大部分能量被片上装置10的低阻硅片11吸收。同时，通过设置片外装置和倒置片上装置，使介质层31在金属贴片装置13与金属地32之间形成具有足够厚度的腔体，避免了在硅片上直接采用双层金属结构时金属间距过小、金属损耗显著的问题，使谐振能量在到达辐射端口之前具有较小的损耗。
参照图2和图3，示出本发明实施例二的片上集成贴片天线100’，实施例二的片上集成贴片天线100’与实施例一的片上集成贴片天线100的区别为，片上集成贴片天线100’的片外装置30’还包括馈电导体34’及支撑件35’。
馈电导体34’为导线，与金属贴片单元13’的馈电端口连接，置于金属贴片单元13’与介质层31’之间。为了保证馈电导体34’与片上装置10’及片外装置30’的良好连接以及导电性能，以及精确控制连接层的厚度，馈电导体13’需要通过焊接的方式与二者连接。本实施例中，馈电导体34’共有三根，对应G-S-G测试探针。
支撑件35’位于金属贴片单元13’与介质层31’之间，支撑件35’为支撑焊盘，因为馈电导体34’设置于金属贴片单元13’与介质层31’之间，为了保证倒置的片上装置10’的稳定性，所以增加设置了支撑件35’。支撑件35’的数量可以根据具体情况来确定，只要能保证片上装置10’的相对平稳即可，本实施例中，支撑件35’共有四个，分别位于金属贴片单元13’的四个边角上。为了使片上装置10’保持相对水平，支撑件35’与馈电导体34’的厚度最好相同。另外，支撑件35’与片上装置10’及片外装置30’的连接方式也最好与馈电导体34’与片上装置10’及片外装置30’的连接方式相同，即支撑件35’也采用焊接与片上装置10’及片外装置30’连接。同时，采用相同的连接方式也可以减少误差以及工艺流程。进一步，因为片上集成贴片天线100’属于微型装置，其连接层的厚度需要极小，所以如果能够精确控制连接层的厚度，支撑件35’也可以采用胶粘或者其他方法与片上装置10’及片外装置30’连接。
下面结合具体的实例对本发明的片上集成贴片天线进行详细的说明。假设实施例二中的片上集成贴片天线100’各部件的尺寸如下：硅片的厚度为200um，隔离层的厚度为3um，金属贴片单元的厚度为0.8um，介质层的厚度为250um，金属地的厚度为2um，支撑件和馈电导体的厚度均为2um。另外，硅片、隔离层、金属贴片单元的长度均为860um，宽度均为1200um，介质层及金属地的长度和宽度均为5000um，支撑件的长度和宽度均为200um。馈电导体的长度为320um，宽度为100um，每相邻的两个馈电导体之间的间隔为50um。
参照图4，为前述实例的片上集成贴片天线的电场分布图，箭头表示电场方向，线条的粗细表示电场强度，可以看出，电场在金属贴片单元与金属地之间构成微带贴片天线的基模分布，在左右两个端面近似形成同向水平电场，等效两个同向磁流元叠加向远场辐射，形成正上方的最大辐射方向。
参照图5，为前述实例的片上集成贴片天线的仿真回波损耗图线，可以看出，仿真的阻抗带宽(S11≤-10dB)覆盖57.77GHz至62.37GHz，在中心频率60GHz附近可以实现4.6GHz频带，基本满足该频段的使用要求。
参照图6，为前述实例的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真E面方向图，可以看出，最大辐射方向为Z轴正向，仿真的交叉极化隔离度大于40dB，验证了电场主要沿X轴分布。
参照图7，为前述实例的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真H面方向图，可以看出，最大辐射方向依然为Z轴正向，在主辐射方向上交叉极化隔离度也大于40dB。图6与图7说明前述实例的片上集成贴片天线呈现典型的微带贴片天线辐射方向图。
参照图8，为前述实例的片上集成贴片天线在工作频段内的仿真增益和辐射效率图，可以看出，在工作带宽内天线最大增益在1.81至4.6dBi之间波动，在60GHz附近可达到4dBi以上。同时，辐射效率可以实现25.4%至49.6%。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的片上集成贴片天线进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种片上集成贴片天线，其特征在于，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置倒置于所述片外装置上，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，或者，在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体，所述金属贴片单元具有馈电端口，所述馈电导体与所述金属贴片单元连接；所述介质层位于所述金属贴片单元和金属地之间。
2.如权利要求1所述的片上集成贴片天线，其特征在于，当在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体时，所述馈电导体通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。
3.如权利要求1或2所述的片上集成贴片天线，其特征在于，当在所述金属贴片单元与介质层之间设置馈电导体时，所述贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的支撑件，所述支撑件的厚度与所述馈电导体的厚度相同。
4.如权利要求3所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述支撑件通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。
5.如权利要求1所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述金属贴片单元采用铜、银或金具有良好导电性能的金属制成。
6.如权利要求1所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述金属贴片单元的厚度根据工作频率确定，大于对应的工作频率下金属的趋附深度。
7.如权利要求6所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述金属贴片单元的厚度至少为对应的工作频率下金属的趋附深度的六倍。
8.如权利要求1所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述介质层采用射频低损耗介质材料制成，所述介质层的介电常数与空气的介电常数基本相同。
9.如权利要求8所述的片上集成贴片天线，其特征在于，所述介质层的厚度根据天线工作带宽确定。
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| Title |
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| Polymer光波导器件的电极分析;王欣嘉;《上海交通大学学报》;19990930;第33卷(第9期);3-4 * |
| 王欣嘉.Polymer光波导器件的电极分析.《上海交通大学学报》.1999,第33卷(第9期),3-4. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102163766A (zh) | 2011-08-24 |
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