CN105591188B - 一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，包括衬底，其中衬底的上端面设有SiO2层,所述SiO2层内设有第一金属层、金属块、第二金属层，所述第一金属层设在所述SiO2层的内底面，所述第一金属层上设有金属块，所述金属块的上端面设有第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层平行，所述金属块的上端面设有馈电端，所述馈电端连接有巴伦，所述第二金属层连接有偶极子，所述巴伦、偶极子与所述衬底分别平行，且巴伦、偶极子在所述馈电端的同侧，所述馈电端、巴伦、偶极子均设在SiO2层内。该装置减少了天线辐射能量被衬底的吸收，与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，不需要额外的阻抗匹配部件；且其结构简单、尺寸小、效率高、增益高。

Description

一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置
技术领域
本发明属于电学技术领域，尤其涉及一种太赫兹硅基片载端射天线。
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，尤其是在太赫兹频段，用金丝键合以及其他连接方式的可靠性低。相比之下，片载天线可以与前级电路一次集成，解决上述问题。
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。为了减小衬底对天线辐射的影响，通常可以采用将衬底厚度减小到1/4λg（λg为介质波长）以下的方法，但是当频率达到300GHz以上时，需要将衬底厚度减薄到40um以下，导致芯片强度下降，容易破损。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，该装置减少了天线辐射能量被衬底的吸收，与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，不需要额外的阻抗匹配部件；且其结构简单、尺寸小、效率高、增益高。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：
一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，包括衬底，其中：所述衬底的上端面设有SiO2层,所述SiO2层内设有第一金属层、金属块、第二金属层，所述第一金属层设在所述SiO2层的内底面，所述第一金属层上设有金属块，所述金属块的上端面设有第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层平行，所述金属块的上端面设有馈电端，所述馈电端连接有巴伦，所述第二金属层连接有偶极子，所述巴伦、偶极子与所述衬底分别平行，且所述巴伦、偶极子在所述馈电端的同侧，所述馈电端、巴伦、偶极子均设在SiO2层内。
为了进一步增加天线效率，减小低阻衬底对天线辐射效率的影响，上述衬底下端面的一端设有反射面，另一端的内底面设有槽，所述槽内填充有金属形成反射器，所述反射器与所述巴伦在所述馈电端的同侧。
进一步地，上述衬底由两层或两层以上的金属层组成，所述最顶层金属的厚度为2-3um，最底层金属的厚度为0.4-0.6um，各层金属层之间设有介质。
进一步地，上述反射器的长度为0.3-0.5λ，所述反射器的上表面距离SiO2层的距离小于0.25λg；且所述反射面为方形，其长边、宽边的尺寸均大于2λ，所述反射面与所述偶极子的距离为0.3-0.4λg。
进一步地，上述馈电端采用CPW形式馈电。
进一步地，上述偶极子的长度为0.2-0.5λ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（一）、本发明可以避免太赫兹系统中各功能模块电气互连带来的损耗和不确定性以及普通片载天线硅基衬底对天线辐射的影响，同时本发明增益大大提高，满足各种对天线增益要求高的场合（如太赫兹成像、通信、二维阵列等）。
（二）、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，其体积小，且降低了成本。
（三）、本发明采用FIB的方法在衬底上刻蚀出槽，以减小低阻硅衬底对天线辐射效率的影响，并用金属填充形成FIB反射器，切断衬底中电场分布，以减小表面波损耗提高天线效率。
（四）、本发明装置的强度高，不易破损，寿命长。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的俯视结构示意图。
图2是图1的A-A剖视结构示意图。
图3是图1的立体结构示意图。
图4是本发明实施例一的回波损耗示意图。
图5是本发明实施例一在340GHz的方向图。
具体实施方式
实施例一
如图1-3所示，本例的一种具体实施方式是：
一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，包括衬底1，其中：所述衬底1的上端面设有SiO2层10,所述SiO2层10内设有第一金属层2、金属块3、第二金属层4，所述第一金属层2设在所述SiO2层10的内底面，所述第一金属层2上设有金属块3，所述金属块3的上端面设有第二金属层4，所述第一金属层2与所述第二金属层4平行，所述金属块3的上端面设有馈电端5，所述馈电端5连接有巴伦6，所述第二金属层4连接有偶极子7，所述巴伦6、偶极子7与所述衬底1分别平行，且所述巴伦6、偶极子7在所述馈电端5的同侧，所述馈电端5、巴伦6、偶极子7均设在SiO2层10内。
天线馈电端5使用CPW形式馈电，与巴伦6相连，经过偶极子7向外辐射能量，为了进一步增加天线效率，在CPW馈电端5引入反射面8，反射面8设在衬底1下端面的一端，反射面8的长边、宽边的尺寸均大于2λ，与偶极子7距离为0.3-0.4λg（λg为介质波长），偶极子7的长度为0.2-0.5λ。
本例为了减小低阻硅衬底对天线辐射效率的影响，在偶极子7与反射面8之间开有槽，也就是在衬底1内底面的另一端设有槽，采用FIB的方法在衬底上刻蚀出缝隙（即槽），并用金属填充形成FIB反射器9，所述反射器9与所述巴伦6在所述馈电端5的同侧，反射器9切断衬底中电场分布，减小表面波损耗提高天线效率。
本例以340GHz作为工作频率，选用七层金属层1a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，各层金属层之间设有介质为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。
在本例中，毫米波硅基片载端射天线结构如图1所示，CPW馈电端5直接过渡到巴伦6，偶极子7的长度为300um，宽度为30um。FIB反射器9长度为0.3-0.5λ，其上表面距离SiO2层10的距离小于0.25λg，硅衬底的厚度被减薄到100um。
图4是本发明实现的太赫兹硅基片载端射天线回波损耗，由图4可以看出，本天线的-10dB带宽范围为310GHz-367GHz。
图5是本发明实现的太赫兹硅基片载端射天线在340GHz的方向图，图5所示，本天线的增益为5.4dB。
工作原理过程：
太赫兹信号从CPW馈电端5馈入片上天线，经片上巴伦6结构与偶极子7直接相连，太赫兹能量一部分经过偶极子7向自由空间辐射，一部分进入硅衬底1；由于FIB反射器9的存在，一方面破坏了硅衬底1中的涡流场回路以降低欧姆损耗，另一方面将进入硅衬底1的那部分太赫兹能量反射回+y轴方向，再经过芯片端面向+y轴辐射出去。这一部分辐射能量与偶极子7辐射能量叠加形成天线的辐射场。
本发明设计频率以340GHz为例，但其不限于340GHz，同样适用于太赫兹波段其他频率范围，其他的任何未背离本发明的原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，包括衬底(1)，其特征在于：所述衬底(1)的上端面设有SiO2层(10),所述SiO2层(10)内设有第一金属层(2)、金属块(3)、第二金属层(4)，所述第一金属层(2)设在所述SiO2层(10)的内底面，所述第一金属层(2)上设有金属块(3)，所述金属块(3)的上端面设有第二金属层(4)，所述第一金属层(2)与所述第二金属层(4)平行，所述金属块(3)的上端面设有馈电端(5)，所述馈电端(5)连接有巴伦(6)，所述第二金属层(4)连接有偶极子(7)，所述巴伦(6)、偶极子(7)与所述衬底(1)分别平行，且所述巴伦(6)、偶极子(7)在所述馈电端(5)的同侧，所述馈电端(5)、巴伦(6)、偶极子(7)均设在SiO2层(10)内；所述衬底(1)下端面的一端设有反射面(8)，另一端的内底面设有槽，所述槽内填充有金属形成反射器(9)，所述反射器(9)与所述巴伦(6)在所述馈电端(5)的同侧；所述衬底(1)由两层或两层以上的金属层组成，最顶层金属的厚度为2-3um，最底层金属的厚度为0.4-0.6um，各层金属层之间设有介质。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，其特征在于：所述反射器(9)的长度为0.3-0.5λ，所述反射器(9)的上表面距离SiO2层(10)的距离小于0.25λg；且所述反射面(8)为方形，其长边、宽边的尺寸均大于2λ，所述反射面(8)与所述偶极子(7)的距离为0.3-0.4λg。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，其特征在于：所述馈电端(5)采用CPW形式馈电。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹波段硅基片载端射天线装置，其特征在于：所述偶极子(7)的长度为0.2-0.5λ。
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