CN106299645A - 一种基于硅工艺的片上天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种基于硅工艺的片上天线，包括介质谐振块、金属贴片、二氧化硅层、金属地和硅基底层，所述金属地覆盖在硅基底层上，二氧化硅层覆盖在金属地上，二氧化硅层上表面上设有金属贴片，所述金属贴片的末段是圆形金属片，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。本发明的片上天线损耗小、辐射率高、辐射形式多样、增益大、片上集成可能性高。

Description

一种基于硅工艺的片上天线

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于硅工艺的片上天线。

背景技术

毫米波电路多采用GaAs或InP基工艺，由于GaAs和InP这些材料有较高的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得良好的RF性能，但是缺点是这些工艺的成本较高。硅(Si)基CMOS工艺具有成本低、功耗低以及能够较容易与基带IC模块的制造工艺兼容等优点。在制造的电路上，虽然CMOS工与GaAs工艺相比在高频性能和噪声性能方面艺并不具备优势，然而，随着深亚微米与纳米工艺的日渐成熟，设计并实现毫米波CMOS电路也许成为可能。

随着硅工艺的进步，系统单芯片(SoC)技术得到了科研人员的关注。这种方法可以很好地将数字基带模块与射频前端模块集成，缓解了不同技术之间互连的压力。同时，这种方法还推动了例如毫米波段的高频电路的发展，将天线尺寸降低到几平方毫米，使天线的片上集成成为了现实，并且成为一种趋势。但是，现在片上天线的发展仍然存在一些挑战：低阻抗硅基底导致的天线电流损耗大、增益小、片上集成导致的结构限制等等。克服这些困难才能使基于SoC(System-on-Chip)的射频前端解决方案成为可能。

现在的半导体技术尽管是很好的电路设计工艺，却并不适合片上天线。因为半导体基片通常都是低阻抗，在电磁波的环境中会产生电流损耗。通常典型的硅基CMOS金属堆栈是分6-9层层叠在二氧化硅中，金属层总厚度大约有15μm，顶层最厚，有3μm-4μm，用于置放电感。下面是500μm-600μm厚的硅基。绝缘的二氧化硅对天线辐射与硅基有隔离作用，但是十几微米的厚度并不能造成很好的改善。天线会偏向低阻的通道辐射，导致辐射效率和增 益的大幅降低；另外，高介电常数的硅基会对天线的辐射产生很大的束缚，现有技术存在一个偶极子天线如果放置在硅基板上，只有3％能量辐射到外部，剩下都以热的形式损耗掉或者束缚在硅基中由于硅的低阻抗而以电流的形式消耗了。另外，高介电常数的厚基板会产生表面波，影响片上天线的辐射。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于硅工艺的片上天线，解决低阻抗硅基底若应用到片上天线将导致的天线损耗大、辐射率低、增益小、片上集成导致的结构限制的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于硅工艺的片上天线，包括介质谐振块、金属贴片、二氧化硅层、金属地和硅基底层，所述金属地覆盖在硅基底层上，二氧化硅层覆盖在金属地上，二氧化硅层上表面上设有金属贴片，所述金属贴片的末段是圆形金属片，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

本发明的有益效果：本发明基于硅工艺的片上天线结构简单，相对于现有技术只通过金属地、金属贴片、介质谐振块和硅工艺就能实现片上天线的功能；辐射方向是从金属地向圆形金属片方向，有微弱辐射，增益低，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积，经过与介质谐振块的耦合，增大片上天线的品质因数，产生高增益的辐射，激励起侧射同时激励起端射，丰富片上天线的辐射方式，解决了原有硅工艺由于低阻硅基底存在增益低、损耗大和辐射效率低的问题而无法应用到片上天线的难题。

进一步的，所述金属贴片前段是短带状金属片，中段是长带状金属片，短带状金属片和长带状金属片在长度方向上的中心线与圆形金属片的其中 一条直径在同一条直线上。

采用上述进一步方案的有益效果是：天线能量由金属贴片的前段馈入，经过中段，进入末端，再通过介质谐振块的耦合，产生高增益辐射，产生侧射同时产生端射，丰富片上天线的辐射方式。

进一步的，所述二氧化硅层是长方形层状结构，所述金属贴片前段、中段与所述二氧化硅层的长度方向平行，且所述金属贴片前段靠近所述二氧化硅层的其中一条宽边边缘。

进一步的，所述介质谐振块设置在远离所述金属贴片的前段，且靠近所述二氧化硅层的另一条宽边边缘的位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：经过金属贴片传来的增益低、微弱的辐射，由于金属贴片与介质谐振块的位置关系，通过介质谐振块的耦合，产生高增益的辐射，产生侧射同时产生端射，丰富片上天线的辐射方式。

进一步的，还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述金属贴片，及金属贴片未覆盖的二氧化硅层的上表面。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述钝化层对金属贴片和裸露的二氧化硅的上表面进行保护，防止被外界环境破坏影响一种基于硅工艺的片上天线的使用。

进一步的，所述介质谐振块是长方体形，所述介质谐振块的长方体形底面覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

采用上述进一步方案的有益效果是：介质谐振块是很好的辐射体，且尺寸小，易于与其他有源或无源器件集成，可实现小型化高增益的设计，为片上集成的结构提供可能。

进一步的，所述介质谐振块的高度大于半个介质谐振块的波长。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述介质谐振块与所述金属贴片配合能够产生端射，丰富了片上天线的辐射方式。

进一步的，所述金属地是不良的辐射体。

采用上述进一步方案的有益效果是：辐射方向是从金属地向圆形金属片方向，再经过介质谐振块的耦合产生高增益的辐射，且形式多样的辐射，片上天线要求的强辐射已经产生，正是由于金属地是不良的辐射体，可以限制已经产生的强辐射射向硅基底层一侧，如此可以缓解低阻硅基底层造成的损耗、辐射低、增益小问题，解决了原有硅工艺由于低阻硅基底存在增益低、损耗大和辐射效率低的问题而无法应用到片上天线的难题。

进一步的，所述介质谐振块由陶瓷材料制成，属于绝缘体。

进一步的，所述金属贴片和金属地组成微带天线。

采用上述进一步方案的有益效果是：介质谐振块与微带天线的体积小，且微带天线与标准的硅基底半导体工艺中的金属层的型式十分相似，使得片上天线成为可能，微带天线与介质谐振块糅合到半导体中，既提高了增益和辐射率，又缓解了低阻硅基底造成的损耗。

附图说明

图1为本发明实施例所述一种基于硅工艺的片上天线的横截面示意图；

图2为本发明实施例所述一种基于硅工艺的片上天线俯视图的示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、介质谐振块，2、钝化层，3、金属贴片，4、二氧化硅层，5、金属地，6、硅基底层,7、短带状金属片，8、长带状金属片，9、圆形金属片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于硅工艺的片上天线，包括介质谐振块、金属贴片、二氧化硅层、金属地和硅基底层，所述金属地覆盖在硅基底层上，二氧化硅层覆盖在金属地上，二氧化硅层上表面上设有金属贴片，如图2所示，所述 金属贴片的末段是圆形金属片，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

金属贴片包括短带状金属片、长带状金属片、圆形金属片，金属贴片和金属地组成微带天线。

本发明基于硅工艺的片上天线结构简单，相对于现有技术只通过金属地、金属贴片、介质谐振块和低阻硅工艺就能实现片上天线的功能；辐射方向是从金属地向圆形金属片方向，有微弱辐射，增益低，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积，经过与介质谐振块的耦合，增大片上天线的品质因数，改善增益，提高辐射效率，激励起侧射同时激励起端射，丰富片上天线的辐射方式，解决了原有硅工艺由于低阻硅基底存在增益低、损耗大和辐射效率低的问题而无法应用到片上天线的难题。

本发明实施例中，所述金属贴片前段是短带状金属片，中段是长带状金属片，短带状金属片和长带状金属片在长度方向上的中心线与圆形金属片的其中一条直径在同一条直线上。

天线能量由金属贴片的前段馈入，经过中段，进入末端，再通过介质谐振块的耦合，增大片上天线的品质因数，改善增益，提高辐射效率，产生侧射同时产生端射，丰富片上天线的辐射方式。

本发明实施例中，所述二氧化硅层是长方形层状结构，所述金属贴片前段、中段与所述二氧化硅层的长度方向平行，且所述金属贴片前段靠近所述二氧化硅层的其中一条宽边边缘。

本发明实施例中，所述介质谐振块设置在远离所述金属贴片的前段，且靠近所述二氧化硅层的另一条宽边边缘的位置。经过金属贴片传来的增益低、微弱的辐射，由于金属贴片与介质谐振块的位置关系，通过介质谐振块的耦合，增大片上天线的品质因数，改善增益，提高辐射效率，产生侧射同 时产生端射，丰富片上天线的辐射方式。

本发明实施例中，还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述金属贴片，及金属贴片未覆盖的二氧化硅层的上表面。最上层的防氧化钝化层的厚度，在已知的范围内对天线的影响很小，可以忽略不计。

所述钝化层对金属贴片和裸露的二氧化硅的上表面进行保护，防止氧化,防止被外界环境破坏影响一种基于硅工艺的片上天线的使用。

本发明实施例中，所述介质谐振块是长方体形，所述介质谐振块的长方体形底面覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。介质谐振块是很好的辐射体，具有高的品质因数、低的导电损耗、高的辐射效率、小尺寸，易于与其他有源或无源器件集成，可实现小型化高增益的设计，为片上集成的结构提供可能。

本发明实施例中，所述介质谐振块的高度大于半个介质谐振块的波长,由于介质谐振器表面可以近似为磁壁，介质谐振块高度大于半个介质波长可以使得介质谐振块产生类半波磁偶极子辐射，在端射方向产生较高增益。再通过微调介质谐振块的高度和位置，可以在天线工作频段内产生端射，丰富了片上天线的辐射方式。

本发明实施例中，所述金属地是不良的辐射体。辐射方向是从金属地向圆形金属片方向，再经过介质谐振块的耦合增大了片上天线的品质因数，改善增益，提高辐射效率，且形式多样的辐射，片上天线要求的强辐射已经产生，正是由于金属地是不良的辐射体，可以限制已经产生的强辐射射向硅基底层一侧，如此可以缓解低阻硅基底层造成的损耗、辐射低、增益小问题，解决了原有硅工艺由于低阻硅基底存在增益低、损耗大和辐射效率低的问题而无法应用到片上天线的难题。

本发明实施例中，所述介质谐振块由陶瓷材料制成，属于绝缘体。

本发明实施例中，所述金属贴片和金属地组成微带天线。

微带天线拥有型式简洁、体积小(片上集成可能性高)、重量轻、低剖面、易集成等优点，微带天线与标准的硅基底半导体工艺中的金属层的型式十分相似，使得微带天线与硅基底半导体工艺连接成为可能，而且有利于降低加工、设计和集成成本。

介质谐振块与微带天线的体积小，使得片上天线成为可能，微带天线与介质谐振块糅合到半导体中，既提高了增益和辐射率，又缓解了低阻硅基底造成的损耗。

微带天线中的金属地是不良的辐射体，可以限制电磁辐射向硅基底层一侧辐射，如此可以缓解低阻硅基底造成的损耗、辐射低、增益小。利用介质谐振块具有高的品质因数、低的导电损耗、高的辐射效率、小尺寸优质特性，与金属贴片中的圆形金属片产生耦合，提高本发明的辐射效率和增益。介质谐振块与微带天线的体积小，且微带天线与标准的硅基底半导体工艺中的金属层的型式十分相似，使得片上天线成为可能，微带天线与介质谐振块糅合到半导体中，既提高了增益和辐射率，又缓解了低阻硅基底造成的损耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，包括介质谐振块、金属贴片、二氧化硅层、金属地和硅基底层，所述金属地覆盖在硅基底层上，二氧化硅层覆盖在金属地上，二氧化硅层上表面上设有金属贴片，所述金属贴片的末段是圆形金属片，所述介质谐振块设置在所述二氧化硅层的上方且覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

2.根据权利要求1所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述金属贴片前段是短带状金属片，中段是长带状金属片，短带状金属片和长带状金属片在长度方向上的中心线与圆形金属片的其中一条直径在同一条直线上。

3.根据权利要求2所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述二氧化硅层是长方形层状结构，所述金属贴片前段、中段与所述二氧化硅层的长度方向平行，且所述金属贴片前段靠近所述二氧化硅层的其中一条宽边边缘。

4.根据权利要求3所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述介质谐振块设置在远离所述金属贴片的前段，且靠近所述二氧化硅层的另一条宽边边缘的位置。

5.根据权利要求1所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述金属贴片，及金属贴片未覆盖的二氧化硅层的上表面。

6.根据权利要求1所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述介质谐振块是长方体形，所述介质谐振块的长方体形底面覆盖所述圆形金属片至少三分之二面积。

7.根据权利要求6所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述介质谐振块的高度大于半个介质谐振块的波长。

8.根据权利要求1-7任意一项所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述金属地是不良的辐射体。

9.根据权利要求1-7任意一项所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述介质谐振块由陶瓷材料制成，属于绝缘体。

10.根据权利要求1-7任意一项所述一种基于硅工艺的片上天线，其特征在于，所述金属贴片和金属地组成微带天线。