CN108615977B - 一种多功能太赫兹收发共享片上天线 - Google Patents

一种多功能太赫兹收发共享片上天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多功能太赫兹收发共享片上天线，该天线为对称结构，主要由E型结构a、E型结构b和中间开十字槽的八边形天线组成，且位于工艺层中的金属层中。在E型结构地平面中外侧两个端口，作为GSG探针的两个G探针位置；所述焊盘，采用最小规格尺寸50×50μm2，作为GSG探针的S探针位置，并且焊盘在垂直位置上处于E型结构地平面的中间位置，可以实现在片测试电路。所述控制开关位于其他金属层的合并层中，可以实现三种不同的非接触测试模式。另外，将焊盘与天线融为一体，不仅减小了芯片的面积，而且提升了测试的灵活度。

Description

一种多功能太赫兹收发共享片上天线
技术领域
本发明属于太赫兹频段的天线结构设计领域。特别地，涉及一种电路在片接触测试与天线耦合非接触测试兼容的一体化设计。
背景技术
太赫兹(THz)电磁波的频率范围为0.1～10THz，波长范围为0.03～3mm，它是一种介于微波、毫米波与红外线之间的电磁波。天线的尺寸和工作频率成反比，所以THz天线加工困难、精度要求高，目前的主流THz天线有喇叭天线、镜面反射天线和贴片天线。喇叭天线和镜面反射天线尺寸较大、难以大规模集成，并且和集成电路之间的连接较为困难，而片上天线可以很好的克服以上的难题，成为THz芯片的首选。
在片上THz天线的设计中，矩形贴片天线是最常用的结构，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用，其不仅结构简单，而且容易满足CMOS工艺的设计规则，但是矩形贴片天线存在尺寸大，微带馈电线过长或者过窄的缺点，并且矩形辐射贴片天线增益低、方向性较差。差分天线是一种双端口馈电的天线，两个端口馈入幅度相等，相位相反的奇模信号。差分天线具有的优点是带宽比较宽，但是普遍存在的缺点是增益较低、辐射效率差。对数周期天线是一种非频变天线，所谓非频变是指天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电特性随频率的对数成周期性变化，并在很宽的频带内保持基本不变，通常也被叫做全频段天线。但是其相对尺寸较大、带宽窄，天线的输出阻抗较大，和电路之间的匹配网络必不可少。偶极子天线也是THz芯片设计中常用的天线，用来发射和接收固定频率的信号，在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线，但是其存在物理尺寸长，芯片面积大，并且增益较低等缺点。谐振腔式天线，虽然带宽较宽，但是尺寸较大，增益较低，方向性比较差。
在这些片上THz天线中，虽然有着小型化，低成本，可大规模集成等优点，但是他们在涉及到接收、发射模块时的测试，就显得极为复杂化，而且各个模块还是相对独立的，还需要对应的端口匹配。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明在此背景下，采用双焊盘、双开关结构，并且将焊盘融入到天线中，可以为集成在单芯片上的太赫兹源与探测器提供一种带双焊盘、双开关可进行功能控制的收发共享在片测试太赫兹天线，该天线主要应用于太赫兹芯片设计中，可以实现电路在片测试与通过天线耦合非接触测试兼容，一方面可通过GSG探针，接触GSG焊盘直接得到电路的测试结果，另一方面，通过波导接收天线辐射的信号实现非接触测试。有效地解决了传统芯片测试复杂的问题，对于电路在片测试具有十分重要的意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多功能太赫兹收发共享片上天线，包括E型结构a、E型结构b、中间开十字槽的八边形天线；E型结构a包括地平面a；馈电端口a；开关k1；太赫兹辐射源；微带传输线a；焊盘a；地平面a连接馈电端口a，馈电端口a连接开关k1，开关k1连接太赫兹辐射源，同时馈电端口a也连接微带传输线a，微带传输线a连接焊盘a；焊盘a和八边形辐射天线的一端相连；
E型结构b包括焊盘b；微带传输线b；馈电端口b；开关k2；探测器电路；地平面b；地平面b连接馈电端口b，馈电端口b连接开关k2，开关k2连接探测器电路1，同时馈电端口b也连接微带传输线b，微带传输线b连接焊盘b；焊盘b和八边形辐射天线对称的另一端相连。
中间开十字槽的八边形天线包括八边形辐射天线，八边形辐射天线的中间开有十字槽；所述多功能太赫兹收发共享片上天线自上而下分依次为钝化层、最顶层金属层、其他金属层的合并层、硅衬底层；钝化层内部包裹最顶层金属层；最顶层金属层包括地平面a、馈电端口a、微带传输线a、焊盘a、焊盘b、微带传输线b、馈电端口b、地平面b以及中间开十字槽的八边形天线；开关k1、太赫兹辐射源、开关k2以及探测器电路位于其他金属层的合并层中。
进一步，焊盘a、b，均采用最小规格50×50μm2。
进一步，通过天线耦合非接触测试，可以实现三种不同的测试模式，当开关k1连接太赫兹辐射源导通时，处于发射测试模式，太赫兹辐射源通过天线发射电磁波；当开关k2连接太赫兹探测器导通时，处于接收测试模式，天线接收外部进入的太赫兹电磁波，并传输到太赫兹探测器中；当开关k1和k2分别连接太赫兹辐射源和探测器电路导通时，处于源与探测器直通测试模式，天线将太赫兹辐射源与探测器直接连通，产生的信号经设计的天线直接传输到太赫兹探测器中，实现太赫兹辐射源和探测器的自测试。
进一步，地平面a为E型结构，分为内侧端口和外侧两个端口；E型结构的内侧端口和馈电端口a相连；地平面b为E型结构，分为内侧端口和外侧两个端口；E型结构的内侧端口和馈电端口b相连。
进一步，所述焊盘a和八边形辐射天线连接的一侧位于地平面a外侧两个端口的垂直线的内侧，或者焊盘a和八边形辐射天线连接的一侧和地平面a1外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘a位于地平面a垂直方向的中间位置。
进一步，所述焊盘b和八边形辐射天线连接的一侧位于地平面b外侧两个端口的垂直线的内侧，或者焊盘b和八边形辐射天线连接的一侧和地平面b外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘b位于地平面b垂直方向的的中间位置。
进一步，E型结构a和E型结构b关于中间开十字槽的八边形天线对称，且太赫兹辐射源和探测器电路能够互换。
进一步，钝化层为PASS材质，最顶层金属层、其他金属层的合并层均为金属材料，硅衬底层为硅材料。
进一步，地平面a、焊盘a和地平面b、焊盘b可放置GSG探针，通过GSG探针接触直接得到电路的测试结果。
进一步，所述的工艺材料层至少包括两层金属层，从上到下依次为钝化层、最顶层金属层、其他金属层的合并层以及硅衬底。由于馈电端口位于最顶层金属层中，而开关位于其他金属层的合并层中，需要对材料层打过孔进行连接。
本发明具有的有益效果是：
1.通过使用GSG探针，直接得到电路的测试结果；
2.采用双焊盘、双开关的结构，通过天线耦合非接触测试，可以实现三种不同的测试模式；
3.将焊盘与天线设计为一体，不仅减小了芯片的面积，而且提升了测试的灵活度。
附图说明
图1为本发明的顶层金属俯视图；
图2为本发明的材料层简图。
图中：1-地平面a；2-馈电端口a；3-开关k1；4-太赫兹辐射源；5-微带传输线a；6-焊盘a；7-八边形辐射天线；8-十字槽；9-焊盘b；10-微带传输线b；11-馈电端口b；12-开关k2；13-探测器电路；14-地平面b；15-钝化层；16-最顶层金属层；17-其他金属层的合并层；18-硅衬底层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明为一种多功能太赫兹收发共享片上天线，兼有电路在片接触测试以及通过天线耦合非接触测试。图1中，1、14为地平面a、b，作为GSG探针的G探针位置；2、11为馈电端口a、b，同时作为地平面、微带传输线、开关的连接；3、12为开关k1和k2，控制着电路与天线的断开与闭合；4、13分别代表太赫兹辐射源和探测器电路，由于本设计为对称结构，所以太赫兹源和探测器电路位置可以互换；5、10为微带传输线a、b，起到信号传输作用；6、9为焊盘a、b，同时作为GSG探针的G位置；7为八边形辐射天线，也是本设计中的天线，起到发射、接收和传输信号的作用；8为辐射贴片上的开十字槽，采用该结构，可以改变电流回流路径，增加天线的带宽以及增益。其中，E型结构a包括地平面a；馈电端口a；开关k1；太赫兹辐射源；微带传输线a；焊盘a；E型结构b包括焊盘b；微带传输线b；馈电端口b；开关k2；探测器电路；地平面b。八边形辐射天线7和焊盘a、b接连接在一起，便于天线对信号的发射和接收。同时，焊盘a、b延伸出与馈电端口a、b同宽的微带馈电线a、b相连接。根据GSG探针规格，所述焊盘a和八边形辐射天线连接的一侧位于地平面a外侧两个端口的垂直线的内侧，或者焊盘a和八边形辐射天线连接的一侧和地平面a外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘a位于地平面a垂直方向的中间位置，同时GSG探针可以直接测得电路的结果；所述焊盘b和八边形辐射天线连接的一侧位于地平面b外侧两个端口的垂直线的内侧，或者焊盘b和八边形辐射天线连接的一侧和地平面b外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘b位于地平面b垂直方向的中间位置，同时GSG探针可以直接测得电路的结果。而开关a、b分别接在馈电端口a、b处，控制着太赫兹源与探测器电路和天线的断开与闭合，通过天线耦合非接触测试，控制开关可以实现三种不同的测试模式。具体的，当开关k1连接太赫兹辐射源导通时，处于发射测试模式，太赫兹辐射源通过天线发射电磁波；当开关k2连接太赫兹探测器导通时，处于接收测试模式，天线接收外部进入的太赫兹电磁波，并传输到太赫兹探测器中；当开关k1和k2分别连接太赫兹辐射源和探测器电路导通时，处于源与探测器直通测试模式，天线将太赫兹辐射源与探测器直接连通，产生的信号经设计的天线直接传输到太赫兹探测器中，实现太赫兹辐射源和探测器的自测试。另外，将天线与焊盘设计为一体，不仅减小了芯片面积，而且提升了测试灵活度。
如图2所述，为本发明的工艺示意简图，从上到下一共有4层，依次为15～18。其中，15为钝化层，16为最顶层金属层，也是本发明的地平面a、b，馈电端口a、b，微带传输线a、b，焊盘a、b和中间开十字槽的八边形天线所在的位置，17为其他金属层的合并层，既是开关设计位置，也是太赫兹源和探测器电路设计位置，18为硅衬底层。从材料层中我们可以看出，开关与太赫兹源和探测器同时位于其他金属层的合并层，开关不仅控制着电路与天线的断开与闭合，通过天线耦合非接触测试，可以实现三种不同的测试模式。
本发明的工作过程如下：
多功能太赫兹收发共享片上天线，采用对称结构，位于最顶层金属层中和其他金属层的合并层中。由于开关位于硅衬底层上面，而馈电端口在最顶层金属层中，为了保证开关不受材料层的影响，需要对材料层进行打过孔连接。焊盘的尺寸，采用最小规格50×50μm2，为了便于GSG探针的准确嵌入。另外，E型结构的地平面位置影响着焊盘的位置。根据GSG探针的规格，我们要保证焊盘和八边形辐射天线连接的一侧位于地平面外侧两个端口的垂直线的内侧，或者焊盘和八边形辐射天线连接的一侧和地平面外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘位于地平面垂直方向的中间位置。微带线、馈电端口采用同宽，长度根据焊盘位置以及仿真确定。与焊盘相接的八边形天线边长要与焊盘边长保持一致，而其他的边长以及中间的十字槽的尺寸需要通过ANSYS HFSS进行仿真优化，从而获得最佳的太赫兹片上天线尺寸，进行能量的发射、接收以及传输。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于：包括E型结构a、E型结构b、中间开十字槽的八边形天线；
所述E型结构a包括地平面a(1)、馈电端口a(2)、开关k1(3)、太赫兹辐射源(4)、微带传输线a(5)、焊盘a(6)；地平面a(1)连接馈电端口a(2)，馈电端口a(2)连接开关k1(3)，开关k1(3)连接太赫兹辐射源(4)，同时馈电端口a(2)还连接微带传输线a(5)，微带传输线a(5)连接焊盘a(6)；焊盘a(6)和八边形辐射天线(7)的一端相连；
所述E型结构b包括焊盘b(9)、微带传输线b(10)、馈电端口b(11)、开关k2(12)、探测器电路(13)、地平面b(14)；地平面b(14)连接馈电端口b(11)，馈电端口b(11)连接开关k2(12)，开关k2(12)连接探测器电路(13)，同时馈电端口b(11)还连接微带传输线b(10)，微带传输线b(10)连接焊盘b(9)，焊盘b(9)和八边形辐射天线(7)对称的另一端相连；
所述中间开十字槽的八边形天线包括八边形辐射天线(7)，八边形辐射天线(7)的中间开有十字槽(8)；
所述多功能太赫兹收发共享片上天线自上而下分依次为钝化层(15)、最顶层金属层(16)、其他金属层的合并层(17)、硅衬底层(18)；钝化层(15)内部包裹最顶层金属层(16)；
所述最顶层金属层(16)包括地平面a(1)，馈电端口a(2)，微带传输线a(5)，焊盘a(6)，焊盘b(9)，微带传输线b(10)，馈电端口b(11)，地平面b(14)，以及中间开十字槽(8)的八边形辐射天线(7)；
所述其他金属层的合并层(17)包括开关k1(3)，太赫兹辐射源(4)，开关k2(12)以及探测器电路(13)；
当开关k1(3)连接太赫兹辐射源导通时，处于发射测试模式，太赫兹辐射源通过天线发射电磁波；当开关k2(12)连接太赫兹探测器导通时，处于接收测试模式，天线接收外部进入的太赫兹电磁波，并传输到太赫兹探测器中；当开关k1(3)和k2(12)分别连接太赫兹辐射源和探测器电路导通时，处于源与探测器直通测试模式，天线将太赫兹辐射源与探测器直接连通，产生的信号经设计的天线直接传输到太赫兹探测器中，实现太赫兹辐射源和探测器的自测试。
2.根据权利要求1所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，焊盘a(6)，焊盘b(9)，均采用最小规格50×50μm2。
3.根据权利要求1所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，地平面a(1)为E型结构，分为内侧端口和外侧两个端口；地平面a(1)的E型结构的内侧端口和馈电端口a(2)相连，地平面b(14)为E型结构，分为内侧端口和外侧两个端口；地平面b(14)的E型结构的内侧端口和馈电端口b(11)相连。
4.根据权利要求3所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，所述焊盘a(6)和八边形辐射天线(7)连接的一侧位于地平面a(1)外侧两个端口垂直线的内侧，或者焊盘a(6)和八边形辐射天线(7)连接的一侧和地平面a(1)外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘a(6)位于地平面a(1)垂直方向的中间位置。
5.根据权利要求3所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，所述焊盘b(9)和八边形辐射天线(7)连接的一侧位于地平面b(14)外侧两个端口垂直线的内侧，或者焊盘b(9)和八边形辐射天线(7)连接的一侧和地平面b(14)外侧两个端口的垂直线相切；且所述焊盘b(9)位于地平面b(14)垂直方向的中间位置。
6.根据权利要求1所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，E型结构a和E型结构b关于中间开十字槽的八边形天线对称，且太赫兹辐射源(4)和探测器电路(13)的位置能够互换。
7.根据权利要求1所述的一种多功能太赫兹收发共享片上天线，其特征在于，地平面a(1)和焊盘a(6)之间以及地平面b(14)和焊盘b(9)之间均可放置GSG探针，通过GSG探针接触在片测试与之相连的电路。
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