CN109378578B - 高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列 - Google Patents

高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列，有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，并位于金属腔中，片上H形缝隙结构有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。本发明有效克服硅基集成工艺设计天线时辐射效率及增益较低的难题，损耗更小，辐射效率和增益更高。

Description

高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列
技术领域
本发明涉及一种天线。特别是涉及一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。
背景技术
天线是收发机系统中的重要组成部分，它主要承载着发射与接收电磁波信号的功能。在毫米波及太赫兹频段，由于频率较高，天线的尺寸小，采用集成工艺加工生产片上天线易于集成，相比片外天线能够有效避免复杂的封装过程，以及互联过程中产生的损耗，因此片上天线的设计尤为重要。
目前，片上天线的设计所面临的困难主要是天线的增益和辐射效率较低，造成这种现象的原因主要分为两种情况：第一种情况，天线在集成工艺中的上层金属层制作，没有底层金属作为屏蔽的地板，由于硅衬底介电常数很大(εr＝11.9)，天线辐射电磁波大部分会向硅衬底的方向辐射。然而，标准的硅基集成工艺中硅衬底具有较小的电阻率(10Ω·m)，这将会产生较大的欧姆损耗，将大量的电磁能量转化为热。同时硅衬底较大的相对介电常数使电磁波在其中转化为表面波耗散。以上两种损耗是造成在顶层金属制作天线，无底层金属作为屏蔽地板情况下天线的辐射效率和增益大幅降低的主要原因。第二种情况，天线制作在集成电路工艺的顶层金属，底层金属作为屏蔽地板抑制电磁波辐射进入硅衬底。在标准硅基集成电路工艺中，最顶层和最底层金属之间的间距非常小(小于15μm)，天线辐射单元和屏蔽地板之间存在强耦合作用，减小了天线的辐射电阻，降低天线的辐射效率。因此，在设计片上天线过程中，突破硅基集成工艺的设计局限，有效减小损耗，提高片上天线的增益和辐射效率成为片上天线设计的关键问题。
介质谐振天线(Dielectric resonator antenna,DRA)已被证实可应用于片上天线设计，电磁能量通过片上结构耦合至介质谐振块，同时得益于介质谐振块低损特性，可有效改善片上天线损耗大的问题，提升片上天线效率和增益。因此，片上DRA天线的研究具有广阔前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现较高的辐射效率和增益的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。
本发明所采用的技术方案是：一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在所述片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，其特征在于，所述矩形介质谐振块选为TEδ,1,3模，中心频率为300GHz，所述片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，所述H形缝隙结构位于金属腔中，所述金属腔是由采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成，其中，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
一种由高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，是形成在矩形集成工艺顶层金属上的2×2天线阵列，包括有分别形成在所述矩形金属板的四个端部的四个结构相同的片上H形缝隙结构，通过绝缘胶层分别固定在四个所述片上H形缝隙结构上的四个结构相同的矩形介质谐振块，其中，位于左上端部的第一片上H形缝隙结构的一条引出缝隙通过第一连接缝隙连接位于左下端部的第二片上H形缝隙结构的一条引出缝隙，所述第一片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙通过第二连接缝隙与位于右上端部的第三片上H形缝隙结构的一条引出缝隙相连，所述第三片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙通过第三连接缝隙与位于右下端部的第四片上H形缝隙结构的一条引出缝隙相连，所述第二片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙和第四片上H形缝隙结构的另一条引出缝隙分别通过第一引出缝隙和第二引出缝隙构成用于天线阵列连接外部电路的连接端。
第一连接缝隙、第二连接缝隙、第三连接缝隙、第一引出缝隙和第二引出缝隙构成一分四GCPW功分网络，其中，所述第一连接缝隙和第二连接缝隙在所述第一片上H形缝隙结构的连接处的相位与所述第一连接缝隙和第一引出缝隙在所述的第二片上H形缝隙结构的连接处的相位之差为180°，所述第二连接缝隙和第三连接缝隙在第三片上H形缝隙结构的连接处的相位与第三连接缝隙和第二引出缝隙的第四片上H形缝隙结构的连接处的相位之差为180°。
所述的四个结构相同的片上H形缝隙结构均包括有有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分分别构成与所述的第一连接缝隙或第二连接缝隙或第三连接缝隙或第一引出缝隙或第二引出缝隙相连的两条引出缝隙。
本发明的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列，将高阶模式TEδ,1,3模的矩形介质谐振块和片上缝隙馈电结构相结合，有效克服硅基集成工艺设计天线时辐射效率及增益较低的难题。相比于传统片上偶极子及Patch等天线，本发明的损耗更小，辐射效率和增益更高。此外，本发明首次将DRA阵列天线的设计应用于硅基集成工艺中，设计了2×2DRA天线阵列，通过匹配网络对阻抗匹配的优化及振源天线在空间电磁场的叠加，阵列天线实现更宽的阻抗匹配带宽和更高的增益。
附图说明
图1是本发明高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线的结构示意图；
图2是本发明中矩形介质谐振块的结构示意图；
图3是本发明中片上H形缝隙结构的结构示意图；
图4是本发明天线阵列的结构示意图；
图5是图4中一分四GCPW功分网络的结构示意图；
图6a是DRA天线的回波损耗S11随频率变化关系图；
图6b是DRA天线增益随频率变化关系图；
图7是DRA天线辐射方向图；
图8a是一分四GCPW功分网络的S参数图；
图8b是一分四GCPW功分网络的端口间相位关系图；
图9a是2×2DRA阵列天线的回波损耗S11图；
图9b是2×2DRA天线阵列的增益随频率变化关系图；
图10是2×2DRA阵列天线的辐射方向图。
图中
1：片上H形缝隙结构 11：左垂直缝隙
12：右垂直缝隙 13：左侧缝隙
14：右侧缝隙 15：金属腔
2：绝缘胶层 3：矩形介质谐振块
4：集成工艺顶层金属 5：矩形集成工艺顶层金属
6：第一连接缝隙 7：第二连接缝隙
8：第三连接缝隙 9：第一引出缝隙
10：第二引出缝隙 101：集成工艺底层金属
A1：第一片上H形缝隙结构 A2：第二片上H形缝隙结构
A3：第三片上H形缝隙结构 A4：第四片上H形缝隙结构
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列做出详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构1和通过绝缘胶层2固定在所述片上H形缝隙结构1上的矩形介质谐振块3，所述矩形介质谐振块3选为TEδ,1,3模，中心频率为300GHz，所述片上H形缝隙结构1是形成在集成工艺顶层金属4上，所述H形缝隙结构1位于金属腔15中，所述金属腔15是由采用集成工艺中除集成工艺顶层金属4和集成工艺底层金属101以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成。其中，所述片上H形缝隙结构1包括有两条平行形成的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12，所述左垂直缝隙11和右垂直缝隙12相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14，所述倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12的中部，所述倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
所述的矩形介质谐振块3，选用相对介电常数较大(εr＞5)的绝缘材料加工成特定尺寸，以耦合并向空间辐射电磁场，本发明中矩形介质谐振模选为TEδ,1,3模。
所述的片上H形缝隙结构1，选用硅基集成工艺设计加工，以激励覆盖其上方的矩形介质谐振块及优化阻抗匹配效果。
所述的绝缘胶层2，具有良好的热稳定性，用以将矩形介质谐振块固定于片上激励结构上。
如图4所示，本发明的由高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，是形成在矩形集成工艺顶层金属5上的2×2天线阵列，包括有分别形成在所述矩形集成工艺顶层金属5的四个端部的四个结构相同的片上H形缝隙结构A1、A2、A3、A4，通过绝缘胶层2分别固定在四个所述片上H形缝隙结构A1、A2、A3、A4上的四个结构相同的矩形介质谐振块3，其中，位于左上端部的第一片上H形缝隙结构A1的一条引出缝隙通过第一连接缝隙6连接位于左下端部的第二片上H形缝隙结构A2的一条引出缝隙，所述第一片上H形缝隙结构A1的另一条引出缝隙通过第二连接缝隙7与位于右上端部的第三片上H形缝隙结构A3的一条引出缝隙相连，所述第三片上H形缝隙结构A3的另一条引出缝隙通过第三连接缝隙8与位于右下端部的第四片上H形缝隙结构A4的一条引出缝隙相连，所述第二片上H形缝隙结构A2的另一条引出缝隙和第四片上H形缝隙结构A4的另一条引出缝隙分别通过第一引出缝隙9和第二引出缝隙10构成用于天线阵列连接外部电路的连接端。
如图4、图5所示，第一连接缝隙6、第二连接缝隙7、第三连接缝隙8、第一引出缝隙9和第二引出缝隙10构成一分四GCPW功分网络，其中，第一连接缝隙6和第二连接缝隙7在所述的第一片上H形缝隙结构A1连接处的相位与第一连接缝隙6和第一引出缝隙9在所述的第二片上H形缝隙结构A2连接处的相位之差为180°，第二连接缝隙7和第三连接缝隙8在第三片上H形缝隙结构A3连接处的相位与第三连接缝隙8和第二引出缝隙10的第四片上H形缝隙结构A4连接处的相位之差为180°。
所述的四个结构相同的片上H形缝隙结构A1、A2、A3、A4均包括有有两条平行形成的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12，所述左垂直缝隙11和右垂直缝隙12相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14，所述倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙11和右垂直缝隙12的中部，所述倒L型的左侧缝隙13和右侧缝隙14中的垂直部分分别构成与所述的第一连接缝隙6或第二连接缝隙7或第三连接缝隙8或第一引出缝隙9或第二引出缝隙10相连的两条引出缝隙。
本发明实施例的介质谐振天线天线和矩阵天线设计的中心频率为300GHz，选用相对介电常数为9.65的氧化镁作为矩形介质谐振块的材料，选用0.18μm GeSi BiCMOS工艺(Jazz SBC18H3)参数设计片上结构，该工艺中有六层金属Metal1—Metal6，以及五层金属过孔Via1—Via5。
对于介质谐振片上天线设计，其具体设计方法如下所示：
1、矩形介质谐振块设计，谐振模式为在TEδ,m,n模式下，图2所示的矩形介质谐振块其尺寸可通过求解超越方程(1)计算求解
Figure GDA0002660722430000041
Figure GDA0002660722430000042
公式(2)为公式(1)参数解释说明，其中c为光速fmn为此模式下矩形介质谐振块的工作频率，本发明中矩形介质谐振块谐振模选用高阶谐振模式TEδ,1,3模，相比于基模其具有更高的增益。通过数学软件Matlab编程求解超越方程(1)，得到300GHz频率处矩形介质谐振块尺寸为WDR＝250μm,LDR＝250μm,HDR＝400μm。
2、片上激励结构设计，片上H形缝隙结构如图3所示，选用顶层金属Metal6设计该缝隙结构，同时选用底层金属Metal1作为金属地板以抑制电磁波向高损耗的硅基衬底传播。将中间金属层及金属过孔堆叠形成金属屏蔽腔围于H形缝隙结构周围以抑制电磁泄露，减小损耗。H形缝隙结构各尺寸参数为：
l1＝70μm,l2＝220μm,ws＝9.5μm,w1＝15μm,w2＝10μm,w3＝10μm。
3、薄绝缘胶，绝缘胶选用相对介电常数为2.4且厚度为10μm的热稳定性绝缘胶，将矩形介质谐振块和片上H形缝隙结构结合。
借助高频结构仿真分析软件(HFSS)仿真DRA天线结构，图6a是DRA天线的回波损耗S11随频率变化关系，-10dB阻抗匹配带宽为15.2％(273—318GHz)。图6b是DRA天线增益随频率变化关系，峰值增益为5.77dBi且3dB增益带宽为13.7％(270—310GHz)。该片上DRA天线的辐射方向图如图7所示，其辐射效率为71％。
基于上述片上DRA天线的设计，2×2DRA阵列天线的设计的重点为一分四功分网络。采用顶层金属Metal6和底层金属Metal1构成的GCPW传输线结构设计一分四功分网络，借助HFSS软件，优化参数以满足GCPW功分网络的阻抗匹配及端口相位要求。图8a是一分四功分网络的S参数，图8b是一分四公分网络的端口间相位关系。将功分网络与天线单元联合仿真优化，得到2×2DRA天线阵列的回波损耗S11和增益随频率变化关系分别如图9a和图9b所示，-10dB阻抗匹配带宽为20.1％(268—328GHz)，峰值增益为9.91dBi且3dB增益带宽为16％(266—314GHz)。天线阵列的辐射方向图如图10所示，其具有更窄的波瓣宽度和更好的方向性，同时其辐射效率高达51％。

Claims (4)

1.一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构(1)和通过绝缘胶层(2)固定在所述片上H形缝隙结构(1)上的矩形介质谐振块(3)，其特征在于，所述矩形介质谐振块(3)选为TEδ,1,3模，中心频率为300GHz，所述片上H形缝隙结构(1)是形成在集成工艺顶层金属(4)上，所述H形缝隙结构(1)位于金属腔(15)中，所述金属腔(15)是由采用集成工艺中除集成工艺顶层金属(4)和集成工艺底层金属(101)以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成，其中，所述片上H形缝隙结构(1)包括有两条平行形成的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)，所述左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)的中部，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。
2.一种由权利要求1所述的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，其特征在于，是形成在矩形集成工艺顶层金属(5)上的2×2天线阵列，包括有分别形成在所述矩形金属板(5)的四个端部的四个结构相同的片上H形缝隙结构(A1、A2、A3、A4)，通过绝缘胶层(2)分别固定在四个所述片上H形缝隙结构(A1、A2、A3、A4)上的四个结构相同的矩形介质谐振块(3)，其中，位于左上端部的第一片上H形缝隙结构(A1)的一条引出缝隙通过第一连接缝隙(6)连接位于左下端部的第二片上H形缝隙结构(A2)的一条引出缝隙，所述第一片上H形缝隙结构(A1)的另一条引出缝隙通过第二连接缝隙(7)与位于右上端部的第三片上H形缝隙结构(A3)的一条引出缝隙相连，所述第三片上H形缝隙结构(A3)的另一条引出缝隙通过第三连接缝隙(8)与位于右下端部的第四片上H形缝隙结构(A4)的一条引出缝隙相连，所述第二片上H形缝隙结构(A2)的另一条引出缝隙和第四片上H形缝隙结构(A4)的另一条引出缝隙分别通过第一引出缝隙(9)和第二引出缝隙(10)构成用于天线阵列连接外部电路的连接端(Port1)。
3.根据权利要求2所述的由高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，其特征在于，第一连接缝隙(6)、第二连接缝隙(7)、第三连接缝隙(8)、第一引出缝隙(9)和第二引出缝隙(10)构成一分四GCPW功分网络，其中，所述第一连接缝隙(6)和第二连接缝隙(7)在所述第一片上H形缝隙结构(A1)的连接处(Port4)的相位与所述第一连接缝隙(6)和第一引出缝隙(9)在所述的第二片上H形缝隙结构(A2)的连接处(Port2)的相位之差为180°，所述第二连接缝隙(7)和第三连接缝隙(8)在第三片上H形缝隙结构(A3)的连接处(Port5)的相位与第三连接缝隙(8)和第二引出缝隙(10)的第四片上H形缝隙结构(A4)的连接处(Port3)的相位之差为180°。
4.根据权利要求2所述的由高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线构成的天线阵列，其特征在于，所述的四个结构相同的片上H形缝隙结构(A1、A2、A3、A4)均包括有有两条平行形成的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)，所述左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙(11)和右垂直缝隙(12)的中部，所述倒L型的左侧缝隙(13)和右侧缝隙(14)中的垂直部分分别构成与所述的第一连接缝隙(6)或第二连接缝隙(7)或第三连接缝隙(8)或第一引出缝隙(9)或第二引出缝隙(10)相连的两条引出缝隙。
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