CN106848562A - 一种毫米波亚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亚毫米波硅基片载端射天线，本发明包括金属支撑台，以及设置于金属支撑台一侧的片载天线；所述片载天线包括硅衬底，设置于硅衬底上表面的SiO2层，以及设置于硅衬底上表面并位于SiO2层一侧的金属走线层；所述金属走线层位于片载天线靠近金属支撑台的一侧；所述金属走线层上设有CPW馈电端口；所述SiO2层上设有与CPW馈电端口相连的平行双线，且设有与平行双线相连的八木天线有源振子；所述金属支撑台靠近片载天线的一侧面上设有反射面，该反射面与CPW馈电端口的接地面组合构成发射器。本发明具有结构简单、尺寸小、高效率、高增益、易工程化的优点，满足在毫米波亚毫米波成像、通信以及相控阵等领域的应用要求。

Description

一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线
技术领域
本发明涉及一种片载天线，具体涉及一种毫米波亚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源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。
同时，在芯片裂片过程中，由于芯片切割工艺的影响，容易发生崩边的现象，导致芯片损坏及片载天线性能下降。
发明内容
为了改善上述问题，本发明提供了一种结构简单、高效率、高增益的毫米波亚毫米波硅基片载端射天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，包括金属支撑台，以及设置于金属支撑台一侧的片载天线；所述片载天线包括硅衬底，设置于硅衬底上表面的SiO2层，以及设置于硅衬底上表面并位于SiO2层一侧的金属走线层；所述金属走线层位于片载天线靠近金属支撑台的一侧；所述金属走线层上设有CPW馈电端口；所述SiO2层上设有与CPW馈电端口相连的平行双线，且设有与平行双线相连的八木天线有源振子；所述金属支撑台靠近片载天线的一侧面上设有反射面，该反射面与CPW馈电端口的接地面组合构成发射器。其中，金属支撑台为金属方块，片载天线采用标准硅基工艺设计制造并粘贴在金属支撑台边沿。
为了进一步地增加天线增益，本发明还包括设置于SiO2层上且位于八木天线有源振子前端的八木天线引向器。
为了解决芯片裂解过程中的崩边问题，本发明还包括设置于SiO2层周边边缘由悬浮金属层形成的悬浮金属环。同时悬浮金属环还能对芯片起到加固保护的作用。
进一步地，所述八木天线引向器与八木天线有源振子距离为0.2～0.4λg，所述八木天线引向器长度为0.2～0.3λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
再进一步地，所述八木天线有源振子长度为0.3～0.5λ，宽度为0.02λ；其中，λ为毫米波亚毫米波在真空中的介质波长。
更进一步地，所述反射面边长尺寸大于2λ；其中，λ为毫米波亚毫米波在真空中的介质波长。
另外，所述硅衬底的厚度小于0.25λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
此外，所述悬浮金属环的各单元尺寸小于0.05λg，单元间距大于0.02λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
本发明所公开的毫米波亚毫米波硅基片载端射天线所采用的引向器为金属振子但不仅限于此，亦可采用硅衬底与介质层组成的介质谐振器等形式的引向器。
当衬底厚度小于0.25λg的时候，本发明所公开的毫米波亚毫米波硅基片载端射天线所采用的反射器为金属反射面。当衬底厚度大于0.25λg的时候，本发明所公开的毫米波亚毫米波硅基片载端射天线可以采用的背面刻蚀/金属溅射的方法实现金属反射器，以及其它方法实现的反射器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明具有结构简单、尺寸小、高效率、高增益的优点，解决了芯片裂片过程中的崩边问题，满足在毫米波亚毫米波成像、通信以及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为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。。
图3为本发明的侧视图。
图4为实施例中D波段端射天线的反射系数。
其中，附图中标记对应的零部件名称为：1-金属支撑台，2-片载天线，3-反射面，4-CPW馈电端口，5-平行双线，6-八木天线有源振子，7-八木天线引向器，8-悬浮金属层，9-硅衬底，10-SiO2层，11-金属走线层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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，一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，包括金属支撑台1，以及设置于金属支撑台一侧的片载天线2；所述片载天线包括硅衬底9，设置于硅衬底上表面的SiO2层10，以及设置于硅衬底上表面并位于SiO2层一侧的金属走线层11；所述金属走线层位于片载天线靠近金属支撑台的一侧；所述金属走线层上设有CPW馈电端口4；所述SiO2层上设有与CPW馈电端口相连的平行双线5，且设有与平行双线相连的八木天线有源振子6；所述金属支撑台靠近片载天线的一侧面上设有反射面3，该反射面与CPW馈电端口的接地面组合构成发射器。
其中，天线馈电端使用CPW形式馈电，与平行双线相连，经过八木天线有源振子向外辐射能量，八木天线有源振子长度为0.3～0.5λ，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发射器，与八木天线有源振子距离为0.3～0.4λ。
为了进一步增加天线增益，本发明还包括设置于SiO2层上且位于八木天线有源振子前端的八木天线引向器7。其中八木天线引向器由八木天线有源振子前端的两段金属线组成，长度为0.2～0.3λg；所述八木天线引向器与八木天线有源振子距离为0.2～0.4λg。硅衬底的厚度小于0.25λg；所述悬浮金属环的各单元尺寸小于0.05λg，单元间距大于0.02λg(λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长)。
为了解决芯片裂解过程中的崩边问题，本发明还包括设置于SiO2层周边边缘由悬浮金属层8形成的悬浮金属环。同时悬浮金属环还能对芯片起到加固保护的作用。
通过上述设计的毫米波亚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。解决了芯片裂片过程中的崩边问题，满足在毫米波亚毫米波成像、通信以及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0.5um，最顶层金属盒最底层金属之间的介质为SiO2，厚度为10um。芯片的衬底为硅介质，相对介电常数为11.9，电阻率为10-50Ω.cm。CPW馈电端口直接过渡到平行双线。八木天线有源振子的长度为600um，宽度为20um，与反射面的距离为200um。八木天线引向器长度为100um，天线宽度为1mm，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133GHz-163GHz，如图4所示。本天线的增益为5.1dB，远优于现有技术。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明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 (8)

1.一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，包括金属支撑台(1)，以及设置于金属支撑台一侧的片载天线(2)；所述片载天线包括硅衬底(9)，设置于硅衬底上表面的SiO2层(10)，以及设置于硅衬底上表面并位于SiO2层一侧的金属走线层(11)；所述金属走线层位于片载天线靠近金属支撑台的一侧；所述金属走线层上设有CPW馈电端口(4)；所述SiO2层上设有与CPW馈电端口相连的平行双线(5)，且设有与平行双线相连的八木天线有源振子(6)；所述金属支撑台靠近片载天线的一侧面上设有反射面(3)，该反射面与CPW馈电端口的接地面组合构成发射器。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，还包括设置于SiO2层上且位于八木天线有源振子前端的八木天线引向器(7)。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，还包括设置于SiO2层周边边缘由悬浮金属层(8)形成的悬浮金属环。
4.根据权利要求2所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述八木天线引向器与八木天线有源振子距离为0.2～0.4λg，所述八木天线引向器长度为0.2～0.3λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述八木天线有源振子长度为0.3～0.5λ，宽度为0.02λ；其中，λ为毫米波亚毫米波在真空中的介质波长。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述反射面边长尺寸大于2λ；其中，λ为毫米波亚毫米波在真空中的介质波长。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述硅衬底的厚度小于0.25λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
8.根据权利要求3所述的一种毫米波亚毫米波硅基片载端射天线，其特征在于，所述悬浮金属环的各单元尺寸小于0.05λg，单元间距大于0.02λg；其中，λg为毫米波亚毫米波在硅衬底中的介质波长。
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