CN105552541B - 一种毫米波硅基片载端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波硅基片载端射天线，主要解决了现有毫米波硅基片载天线效率低、增益低以及片载天线加载的收发前端难以用于二维阵列的问题。该毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，包括硅衬底（1）、CPW馈电端口（2）、巴伦（3）、偶极子（4）、反射面（5）；所述CPW馈电端口（2）与所述巴伦（3）连接；所述毫米波硅基片载端射天线通过所述偶极子（4）向外辐射能量；所述反射面（5）与所述CPW馈电端口（2）的接地面组合构成反射器。本发明具有结构简单、尺寸小、高效率、高增益的优点，增加了天线的阻抗带宽，满足在毫米波成像、毫米波通信以及毫米波相控阵等领域的应用要求。

Description

一种毫米波硅基片载端射天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体的说，是涉及一种毫米波硅基片载端射天线。
背景技术
天线，作为接收端的第一个元件和发射端的最后一个元件，都必须与电路相连接，因此，为了保证最大功率传输，阻抗匹配是必不可少的环节。此外，由于天线是常规PCB上实现，金丝键合用于将它们连接到集成电路，可以极大地影响匹配，尤其是在毫米波频段，因为这些键合线通常具有不确定性，不能保证可重复性。相比之下，片载天线可以与前级电路一次集成，缓解了上述问题。
然而，在现有的低成本硅基半导体工艺中，衬底一般具有较低的电阻率（通常10Ω.cm），天线向空间辐射的能量更多的通过衬底的低电阻路径，从而导致增益下降。同时，衬底通常还具有高介电常数（εr=11.9），导致天线的辐射功率被限制在衬底里边，而不是被辐射到自由空间，进一步降低了辐射效率。
而且，片载天线受限于辐射面积以及辐射效率，其增益往往处于一个非常低的水平（通常小于0dB），无法满足对天线增益要求高的场合。并且，受制于天线及前端电路尺寸，使得天线无法在大规模二维阵列的场合下使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、高效率、高增益的毫米波硅基片载端射天线。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种毫米波硅基片载端射天线，包括硅衬底、CPW馈电端口、巴伦、偶极子、反射面；所述CPW馈电端口与所述巴伦连接；所述毫米波硅基片载端射天线通过所述偶极子向外辐射能量；所述反射面与所述CPW馈电端口的接地面组合构成反射器。
为了进一步增加天线效率，该毫米波硅基片载端射天线还包括位于所述偶极子前端的介质谐振引向器，所述介质谐振引向器由所述偶极子前端延伸出的一段硅衬底构成。
优选的，所述介质谐振引向器长度0.2-0.4λg，与所述偶极子距离为0.3-0.4λg，其中，λg为毫米波在硅衬底中的介质波长。
优选的，所述偶极子长度为0.2-0.5λ，宽度为0.02λ，其中，λ表示毫米波在真空中的介质波长。
优选的，所述反射面边长尺寸大于2λ，其中，λ表示毫米波在真空中的介质波长。
优选的，所述硅衬底的厚度小于0.25λg，其中，λg为毫米波在硅衬底中的介质波长。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明具有结构简单、尺寸小、高效率、高增益的优点，增加了天线的阻抗带宽，满足在毫米波成像、毫米波通信以及毫米波相控阵等领域的应用要求。并且，本发明与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的天线结构俯视图。
图3为实施例中140GHz端射天线的反射系数。
图4为实施例中140GHz端射天线的方向图。
其中，附图标记所对应的名称：1-硅衬底，2-CPW馈电端口，3-巴伦，4-偶极子，5-反射面，6-介质谐振引向器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1-4所示，本实施例提供了一种毫米波硅基片载端射天线，该天线主要包括有硅衬底、馈电端口、巴伦、偶极子、反射面。其中：天线馈电端使用CPW形式馈电2，与巴伦3相连，经过偶极子4向外辐射能量，偶极子长度为0.2-0.5λ，宽度为0.02λ。基于实际应用，在天线馈电端引入反射面，其边长尺寸大于2λ与馈电端的接地面一起组成反射器，与偶极子距离为0.3-0.4λg。为了进一步增加天线效率，在偶极子前端引入介质谐振器引向器，介质谐振器引向由偶极子前端延伸出的一段硅衬底组成，长度0.2-0.4λg。天线宽度为0.4-0.5λg，硅衬底的厚度小于0.25*λg（λg为毫米波在硅衬底中的介质波长）。通过上述设计的毫米波硅基片载端射天线具有结构简单、尺寸小、高效率、高增益的优点，增加了天线的阻抗带宽，满足在毫米波成像、毫米波通信以及毫米波相控阵等领域的应用要求。
以140GHz作为工作频率。选用七层金属层的0.13um BiCMOS工艺，最顶层金属的厚度为2-3um，最底层金属为0.4-0.6um，最顶层金属盒最底层金属之间的介质为SiO2，厚度为11um。芯片的衬底为硅介质，相对介电常数为12，电阻率为10-20 Ω.cm。CPW馈电端直接过渡到巴伦。偶极子的长度为700um，宽度为30um，与反射面的距离为200um。介质谐振引向器长度为200um，天线宽度为1-2mm，硅衬底的厚度被减薄到100um。通过测试得知，本天线的-10dB带宽范围为115GHz-180GHz，如图3所示。本天线的增益为3.95dB，远优于现有技术。同时本天线还实现了端射特性，如图4所示。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，包括硅衬底（1）、CPW馈电端口（2）、巴伦（3）、偶极子（4）、反射面（5）；所述CPW馈电端口（2）与所述巴伦（3）连接；所述毫米波硅基片载端射天线通过所述偶极子（4）向外辐射能量；所述反射面（5）与所述CPW馈电端口（2）的接地面组合构成反射器；还包括位于所述偶极子（4）前端的介质谐振引向器（6），所述介质谐振引向器（6）由所述偶极子（4）前端延伸出的一段硅衬底（1）构成；所述介质谐振引向器（6）长度0.2-0.4λg，与所述偶极子（4）距离为0.3-0.4λg，其中，λg为毫米波在硅衬底中的介质波长。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述偶极子（4）长度为0.2-0.5λ，宽度为0.02λ，其中，λ表示毫米波在真空中的介质波长。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述反射面（5）边长尺寸大于2λ，其中，λ表示毫米波在真空中的介质波长。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述硅衬底（1）的厚度小于0.25λg，其中，λg为毫米波在硅衬底中的介质波长。
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