CN104037489A - 基于人工磁导体结构的60GHz片上天线 - Google Patents

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项铁铭
马晓洋
王龙龙
陈伟
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Abstract

本发明涉及一种基于人工磁导体结构的60GHz片上天线。本发明包括由下到上的硅衬底层、SiO2层、SiN层，其特征在于：SiO2层包含六层金属层，从下到上依次为M1～M6层，三角形单极子天线位于SiO2层的M6金属层，周期加载的基于CMOS工艺的正六边形人工磁导体结构位于SiO2层的M1金属层，三角形单极子天线采用50Ω共面波导馈电。本发明能够满足60GHz时对垂直入射波反射相位为零，并且反射相位带隙完全覆盖60GHz附近的约7GHz（57～64GHz）免许可频段，同时可以有效的提高片上天线的增益和辐射效率等。

Description

基于人工磁导体结构的60GHz片上天线
技术领域
本发明属于天线技术与无线通信领域，涉及一种基于人工磁导体结构的60 GHz片上天线。
背景技术
人工磁导体即AMC（Artificial Magnetic Conductor）结构，是超材料的一种，具有理想磁导体的相似属性，通过合理的设计可以实现某一频点对垂直入射平面波的同相位反射特性。
基于CMOS工艺的60 GHz片上天线，由于CMOS工艺低成本和便于大规模生产的优点以及60 GHz频谱的诸多优势，逐渐成为短距离无线通信的研究热点。CMOS工艺以硅为衬底，硅低的电阻率（10 Ω·cm）和低的电子迁移率特性很大程度上损耗了天线的电磁能量，导致天线的增益和辐射效率较低，无法满足短距离无线通信的技术指标要求。
为了减小CMOS工艺硅衬底对片上天线性能的影响， AMC结构成为一种较好的选择。将片上天线设计在CMOS工艺结构SiO2层的M6金属层，将AMC结构周期加载于片上天线和硅衬底层之间的M1金属层。通过AMC结构的合理设计可以实现对垂直入射平面波的同相位反射特性，从而将更多的电磁能量辐射向自由空间，提高片上天线的增益和辐射效率等。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基基于人工磁导体结构的60 GHz片上天线。本发明基于标准CMOS 0.18um工艺采用正六边形AMC结构周期加载于三角形单极子天线和硅衬底层之间，三角形单极子天线采用50Ω共面波导（CPW，Coplanar wave guide）馈电。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括由下到上的硅衬底层、SiO2层、SiN层，其特征在于：SiO2层包含六层金属层，从下到上依次为M1～M6层，三角形单极子天线位于SiO2层的M6金属层，周期加载的基于CMOS工艺的正六边形人工磁导体结构位于SiO2层的M1金属层，三角形单极子天线采用50Ω共面波导馈电。
本发明具有的有益效果是：
本发明中的正六边形AMC结构，能够满足60 GHz时对垂直入射波反射相位为零，并且反射相位带隙完全覆盖60 GHz附近的约7 GHz（57～64 GHz）免许可频段，同时可以有效的提高片上天线的增益和辐射效率等。当周期加载3×6 AMC结构时，片上天线回波损耗小于-10 dB的带宽为（53.6～70 GHz），60 GHz时最大增益为-1.2 dB，辐射效率为29.2%。并且当增加电流流动方向的AMC单元个数（3×6, 3×7, 3×8），天线的最大增益和辐射效率都大幅提高，当增加垂直于电流流动方向的AMC单元个数（3×6, 4×6, 5×6），天线的最大增益和辐射效率变化缓慢。
附图说明
附图1为基于CMOS工艺的正六边形AMC结构单元3D图；
附图2为多个正六边形AMC结构单元俯视图；
附图3为正六边形AMC结构单元反射相位图；
附图4为基于CMOS工艺采用3×6周期加载正六边形AMC结构的片上天线3D结构图；
附图5为周期加载不同排列AMC结构的片上天线回波损耗；
附图6为周期加载不同排列AMC结构的片上天线输入阻抗。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1为基于CMOS工艺的正六边形AMC结构单元3D图，通过采用分析周期加载结构的波导传输法和三维电磁仿真软件Ansoft HFSS的仿真设计，可以等效为利用垂直入射平面波激励一个周期性结构单元。通过改变正六边形AMC结构单元边长a和单元间缝隙宽度g，可以得到图3所示的正六边形AMC结构单元反射相位图，此时a=107 um，g=45 um，反射相位为±90o对应的频率分别为52.3 GHz和67.8 GHz，反射相位带隙完全覆盖60 GHz附近的约7 GHz（57～64 GHz）免许可频段。图2为多个正六边形AMC结构单元组合的俯视图，其中a为正六边形AMC结构单元的边长，g为正六边形AMC结构单元间缝隙宽度，u为相邻两个AMC结构单元中心距离。
基于CMOS工艺采用3×6周期加载正六边形AMC结构的片上天线3D结构图如图4所示，三角形单极子天线位于SiO2层的M6金属层，周期加载的正六边形AMC结构位于SiO2层的M1金属层，天线采用共面波导馈电。为了研究不同排列的AMC结构单元对片上天线的影响，分别周期加载3×6，4×6，5×6，3×7，3×8排列AMC结构单元分析片上天线的性能。其回波损耗、输入阻抗分别如图5和图6所示。图5中周期加载不同排列AMC结构单元，片上天线的回波损耗小于-10dB对应的带宽均完全覆盖60GHz附近的约7GHz(57～64GHz)免许可频段。图6中片上天线的输入阻抗分别为：Z3×6＝51.06-j*0.34Ω，Z4×6＝50.5-j*0.68Ω，Z5×6＝49.67-j*0.14Ω，Z3×7＝49.71-j*2.57，Z3×8＝50.17-j*0.4Ω，与50Ω共面波导基本匹配，从而保证了电磁能力能有效的传输到天线，并经天线辐射向自由空间。当增加电流方向的AMC单元个数(3×6,3×7,3×8)，天线的增益和辐射效率都大幅提高；当增加垂直于电流方向的AMC单元个数(3×6,4×6,5×6)，天线的增益和辐射效率变化缓慢。
本发明中的正六边形AMC结构的优点包括：
（1）尺寸小且结构简单。如图2，正六边形AMC结构单元的最终设计尺寸为a=107 um，g=45 um。
（2）成本低廉、加工方便。所设计的AMC结构加载于采用CMOS工艺的片上天线设计中，CMOS工艺制造成本低且便于大规模生产。
（3）较好的同相位反射特性。可以实现60 GHz反射相位为0，并且反射相位带隙完全覆盖60 GHz附近的约7 GHz（57～64 GHz）免许可频段。在60 GHz短距离无线通信中有较好的应用前景。
（4）不同周期加载AMC结构对片上天线性能影响有规律可循。可以通过天线的设计参数和空间要求，有目的性的选择相应周期加载AMC结构，提高仿真设计的效率。
本发明陈述了一种基于CMOS工艺应用于60 GHz片上天线的人工磁导体结构，创新性地使用正六边形AMC结构单元，通过周期加载满足60 GHz反射相位为0，并有效的提高了片上天线的增益和辐射效率，同时通过不同周期加载AMC结构对片上天线性能影响具有一定规律。综上所述，设计出的正六边形AMC结构单元，不仅可应用在基于CMOS工艺的60 GHz片上天线的设计中，解决传统工艺价格昂贵难以普及的缺点，同时降低了CMOS工艺中硅衬底低的电阻率（10 Ω·cm）和低的电子迁移率特性对片上天线性能的影响，因此有着广阔的应用价值和市场潜力。

Claims (2)

1. 基于人工磁导体结构的60 GHz片上天线，包括由下到上的硅衬底层、SiO2层、SiN层，其特征在于：SiO2层包含六层金属层，从下到上依次为M1～M6层，三角形单极子天线位于SiO2层的M6金属层，周期加载的基于CMOS工艺的正六边形人工磁导体结构位于SiO2层的M1金属层，三角形单极子天线采用50Ω共面波导馈电。
2.根据权利要求1所述的60 GHz片上天线，其特征在于：相邻正六边形人工磁导体结构的距离为45 um，每个正六边形AMC结构的边长为107 um。
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