CN110085969A - 一种高增益双频片上天线 - Google Patents

一种高增益双频片上天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高增益双频片上天线，包括自下而上依次设置的馈源结构、第一填充层和电磁带隙结构，其中，所述馈源结构用于将高频电流转换成辐射的电磁波；所述第一填充层用于支撑所述电磁带隙结构；所述电磁带隙结构用于实现所述电磁波在特定频带范围内的传播。本发明的高增益双频片上天线的电磁带隙结构采用双层电磁带隙结构，馈源结构中的金属振子与二氧化硅层形成非中心对称结构，电磁波以非垂直角度入射到电磁带隙结构，从而使该片上天线可以在两个频带工作，同时提升片上天线增益，而且所述馈源结构采用减薄的硅衬底层，可以减少片上天线的电磁能量损耗，从而提升整个片上天线的增益。

Description

一种高增益双频片上天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种高增益双频片上天线。
背景技术
天线作为一种变换器，在无线电系统中用来发射或接受电磁波，它是无线系统中的重要组成部分。目前的天线包括传统天线和集成天线，传统天线为分离式天线，随着微电子工艺的不断发展，集成电路元件规模呈几何级数增长，集成天线得到了科研人员的关注，集成天线即通过一些技术工艺，将天线尺寸降低到平方毫米级别。目前，集成天线包括片上天线(AOC)和封装天线(AIP)，片上天线是通过半导体材料与工艺将天线与其他电路集成在同一个芯片上，封装天线是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的封装内。
随着半导体技术以及封装工艺的发展，片上天线和封装天线逐渐替代传统天线应用在通信、雷达、个人电子消费等领域。目前的片上天线由于标准CMOS(互补金属氧化物半导体)结构中硅衬底的电阻较低，天线增益往往都比较低，只能用作短距离通信天线，且工作频段为单一频段，使得其在复杂环境下的适用性较低。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高增益双频片上天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种高增益双频片上天线，包括自下而上依次设置的馈源结构、第一填充层和电磁带隙结构，其中，
所述馈源结构用于将高频电流转换成辐射的电磁波；
所述第一填充层用于支撑所述电磁带隙结构；
所述电磁带隙结构用于实现所述电磁波在特定的频带范围内的传播。
在本发明的一个实施例中，所述馈源结构包括自下而上依次设置的金属地层、第一介质层、硅衬底层、二氧化硅层和金属振子，其中，所述金属振子位于所述二氧化硅层上并且与所述二氧化硅层形成非中心对称结构。
在本发明的一个实施例中，所述金属振子为对称振子，包括相互对称的两个带状金属片，且两个所述带状金属片的对称轴平行于所述二氧化硅层的宽度方向。
在本发明的一个实施例中，所述二氧化硅层为长方形结构，两个所述带状金属片的长度方向均与所述二氧化硅层的长度方向平行。
在本发明的一个实施例中，所述金属振子的中心点在所述二氧化硅层上表面上的投影与所述二氧化硅层上表面的中心点之间的距离为0.05mm-0.2mm。
在本发明的一个实施例中，所述硅衬底层的厚度为100～200μm。
在本发明的一个实施例中，所述第一填充层设置在所述金属振子上。
在本发明的一个实施例中，所述电磁带隙结构包括自下而上依次设置的第二介质层、第二填充层和第三介质层，所述第二介质层设置在所述第一填充层上。
在本发明的一个实施例中，所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层分别为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层、锰锌铁氧体层或镍锌铁氧体层中的任一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的高增益双频片上天线的电磁带隙结构采用双层电磁带隙结构，馈源结构中的金属振子与二氧化硅层形成非中心对称结构，电磁波以非垂直角度入射到电磁带隙结构，从而使该片上天线可以在两个频带工作，同时提升片上天线增益；
2、本发明的高增益双频片上天线的馈源结构采用减薄的硅衬底层，可以减少片上天线的电磁能量损耗，从而提升整个片上天线的增益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线的主视图；
图2是本发明实施例提供的一种馈源结构的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种馈源结构的主视图；
图4是本发明实施例提供的一种电磁带隙结构的俯视图；
图5是本发明实施例提供的一种电磁带隙结构的传输特性图；
图6是本发明实施例提供的一种电磁带隙结构的镜像仿真图；
图7是本发明实施例提供的一种电磁带隙结构的镜像结构的传输特性图；
图8是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线的回拨损耗图；
图9是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线在60GHz的增益图；
图10是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线在77GHz的增益图。
附图标记说明
1-馈源结构；11-金属地层；12-第一介质层；13-硅衬底层；14-二氧化硅层；15-金属振子；151-带状金属片2-第一填充层；3-电磁带隙结构；31-第二介质层；32-第二填充层；33-第三介质层；4-等效镜面；5-镜像结构。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种高增益双频片上天线进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线的主视图，如图所示，该高增益双频片上天线包括自下而上依次设置的馈源结构1、第一填充层2和电磁带隙结构3，馈源结构1用于将高频电流转换成辐射的电磁波能量；第一填充层2用于支撑电磁带隙结构3；电磁带隙结构3用于实现所述电磁波在特定的频带范围内的传播。其中，馈源结构1是天线的一个重要组成部分，用作高增益天线的初级辐射器，可以将高频电流或束缚电磁波转换成辐射的电磁波能量。电磁带隙结构3是一种周期性结构，它可控制电磁波的传播，通过选择适当的散射介质的尺寸、材料和形状可以实现电磁波在某些频段不能传播。
进一步地，本实施例的馈源结构1包括自下而上依次设置的金属地层11、第一介质层12、硅衬底层13、二氧化硅层14和金属振子15。具体地，请结合参见图2和图3，如图所示，金属振子15位于二氧化硅层14上，金属振子15的中心点在二氧化硅层14的上表面的投影A与二氧化硅层14的上表面中心点B不重合，两者形成非中心对称结构，金属振子15作为本实施例高增益双频片上天线的辐射源。馈源结构1中的金属振子15与二氧化硅层14形成非中心对称结构，可以使得电磁波以非垂直角度入射到电磁带隙结构3，从而可以达到双频段工作和提升天线增益的效果。金属振子15可以为对称振子、微带单极子、片上槽缝馈电结构或片上环形馈电结构。
在本实施例中，金属振子15为对称振子，所述对称振子是一种基本的单元天线结构、其使用广泛，结构简单，包括相互对称的两个带状金属片151，带状金属片151的长度Ld为0.54mm，二氧化硅层14为长方形结构，两个带状金属片151的对称轴S平行于二氧化硅层14的宽度方向，两个带状金属片151的长度方向均与二氧化硅层14的长度方向平行。所述金属振子15的中心点在二氧化硅层14上表面上的投影A与二氧化硅层14上表面的中心点B之间的距离dt为0.1mm。
进一步地，硅衬底层13的形状与二氧化硅层14的形状相同，硅衬底层13的长度Lsi为2mm，宽度Wsi为0.8mm，厚度为200μm。在半导体行业中，65nmCMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的硅衬底厚度为305μm，由于硅的电阻率比较低，天线在工作过程中，电磁波在硅衬底中传播时会将部分能量转化为热能，导致天线的增益都比较低，在本实施例中，减薄了硅衬底层13的厚度，可以有效的减少硅衬底层13中的电磁损耗，从而达到提升天线增益的效果。硅衬底层13越薄，电磁波传播过程中损耗就越少，考虑到馈源结构1的机械强度，硅衬底层13过薄在天线的安装过程中容易碎裂，综合考虑馈源结构1的电性能与机械性能，择优选择硅衬底层13的厚度为200μm。
进一步地，第一介质层12为正方形结构，边长P2为2.5mm，厚度Hb1为0.9mm，金属地层11为正方形结构，其边长P1为5mm。第一介质层12为普通介质材料层或软磁材料层，普通介质材料如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，软磁材料如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体或其他软磁铁氧体。在本实施例中，第一介质层12为锰锌铁氧体材料，型号为Ferro-A6M，其介电常数为5.9，介质损耗小于0.002。金属地层11的材料为铝金属。
进一步地，第一填充层2设置在金属振子15上，第一填充层2采用聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯的介电常数与空气近似，为常用的天线结构填充材料，用于确保整个天线结构的稳定。
进一步地，电磁带隙结构3包括自下而上依次设置的第二介质层31、第二填充层32和第三介质层33，第二介质层31设置在第一填充层2上。具体地，请结合参见图1和图4，第二介质层31和第三介质层33均为正方形结构，边长P为5mm，第二介质层31与第三介质层33的厚度Hb2均为576μm，第二介质层31与第三介质层33之间的距离H2为2.4mm，第二介质层31与金属地层11之间的距离H1为1.94mm。第二介质层31和第三介质层33为普通介质材料层或软磁材料层，普通介质材料如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，软磁材料如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体或其他软磁铁氧体。在本实施例中，第二介质层31和第三介质层33为锰锌铁氧体材料，型号为Ferro-A6M，其介电常数为5.9，介质损耗小于0.002。
进一步地，第二填充层32为正方形结构，与第二介质层31与第三介质层33的边长相等为5mm。在本实施例中，第二填充层32采用聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯的介电常数与空气近似，为常用的天线结构填充材料，用于确保整个天线结构的稳定。
本实施例的电磁带隙结构3设置有双层介质层，分别为第二介质层31和第三介质层33，在仿真软件中模拟得到本实施例的电磁带隙结构3的传输特性图，如图5所示，其中纵坐标S11为散射参数，表示输入反射系数，也就是输入回波损耗，从图中可以看出本实施例的电磁带隙结构3在60GHz处谐振，对于60GHz波段的电磁波阻抗最小，60GHz是当前毫米波常用的短距离通信频率。
在本实施例中，金属地层11的尺寸远大于作为天线辐射源的金属振子15的尺寸，这样设计可以近似满足电磁场的镜像原理。镜像原理是指位于无穷大的、理想导电平板上方空间的任何电荷产生的磁场，在电气上等效于原来的电荷产生的电场叠加上由它的镜像产生的电场。在静态场中，为了考虑导电面对电荷或电流的影响，引入了镜像电荷或镜像电流来代替边界上感应电荷或感应电场电流对场的影响，简化了场的计算。镜像原理同样适用于时变电磁场中理想导电平面对时变电磁场的影响。
假设在无限大理想导电平面上方有一个电流元，在理想导电平面上方的任意一场点P上的场E由两部分组成：一部分是直接从电流元来的直达波E1，另一部分是由理想导电平面来的反射波E2，那么E＝E1+E2，如果P点靠近理想导电面，那么理想导电平面上的场Et＝0。
假设存在两个电流元，并且所述两个电流元的大小相等、取向一致、相位相同，在这种情况下，所述两个电流元的中间平面上，由于两个电流元大小相同，到中间平面上任一点的距离也相等，其位置具有对称性，所以两个电场的切向分量刚好抵消，那么两个电流元的中间平面上的总电场的切向分量为零，其合成电场与中间平面垂直。
根据时变电磁场的唯一性定理，以上两种情况在平面上方空间是等效的，也就是说，在上半空间两种情况的场是相同的，即导体平面上的反射场可由一镜像电流元等效。如果电流元水平放置，那么其镜像电流元是在对称位置上的水平反向放置的大小相同的电流元，也就是水平放置的电流元的镜像是对称位置的相同大小同方向但相位相差π的电流元。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种电磁带隙结构的镜像仿真图，如图所示，金属振子15在工作时可以视为多个电流元同时工作，图中的中间部分为等效镜面4，上半部分为实际存在的电磁带隙结构3，下半部分为电磁带隙结构3等效的镜像结构5。在仿真软件中模拟得到所述电磁带隙结构的镜像结构的传输特性图，如图7所示，从图中可以看出，此结构不仅保持了之前在60GHz处产生的工作频带通带，同时在77GHz处产生了新的工作频带。77GHz是目前车载防撞雷达常用的信号频率。
在本实施例中，采用具有双层介电层的电磁带隙结构3，金属地层11的尺寸远大于作为天线辐射源的金属振子15的尺寸，利用电磁场的镜像原理使得电磁带隙结构3具有双频特性，从而使得片上天线可以在60GHz和77GHz两个频带工作，同时提升片上天线增益。
请参见图8，如图所示，纵坐标S11为反射系数，定义为端口1发射的信号能量占端口都1入射信号能量的比例，也就是天线的输入回波损耗，从图中可以看出，本实施例的高增益双频片上天线在60GHz和77GHz处谐振深度较深，辐射能量也集中在这两个频带中，本实施例的高增益双频片上天线的回波损耗在57.7GHZ到62.1GHz以及75.2GHZ到77.4GHZ两个频段均小于-10dBi，且在60GHz和77GHz两个频点处谐振，从而实现本实施例的高增益双频片上天线在60GHz和77GHz双频段工作。回波损耗小于-10dBi，表示小于30％的信号能量被反射回来，由于反射部分能量较少，所以反射的信号能量不会对传输信号产生影响，60GHz是当前毫米波常用的短距离通信频率，77GHz是目前车载防撞雷达常用的信号频率。
请参见图9和图10，图9和图10分别是本发明实施例提供的一种高增益双频片上天线在60GHz和77GHz的增益图，如图所示，本发明实施例的高增益双频片上天线在60GHz频率下的增益为3.2dBi，在77GHz频率下的增益为8.42dBi。目前，所述片上天线在57-64GHz频率下的增益为0.3-1dBi，所述片上天线在77GHz频率下的增益为一般为4-8dBi，由此可见，本实施例的高增益双频片上天线在60GHz和77GHz频率下的增益有了较大的提高。
本实施例的高增益双频片上天线的电磁带隙结构采用双层电磁带隙结构，其具有双频特性，而且馈源结构中的金属振子与二氧化硅层形成非中心对称结构，电磁波以非垂直角度入射到电磁带隙结构，使得片上天线可以在60GHz和77GHz两个频带工作，同时提升片上天线增益；本实施例的高增益双频片上天线的馈源结构采用减薄的硅衬底层，可以减少片上天线的电磁能量损耗，从而提升整个片上天线的增益。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高增益双频片上天线，其特征在于，包括自下而上依次设置的馈源结构(1)、第一填充层(2)和电磁带隙结构(3)，其中，
所述馈源结构(1)用于将高频电流转换成辐射的电磁波；
所述第一填充层(2)用于支撑所述电磁带隙结构(3)；
所述电磁带隙结构(3)用于实现所述电磁波在特定频带范围内的传播。
2.根据权利要求1所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述馈源结构(1)包括自下而上依次设置的金属地层(11)、第一介质层(12)、硅衬底层(13)、二氧化硅层(14)和金属振子(15)，其中，所述金属振子(15)位于所述二氧化硅层(14)上并且与所述二氧化硅层(14)形成非中心对称结构。
3.根据权利要求2所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述金属振子(15)为对称振子，包括相互对称的两个带状金属片(151)，且两个所述带状金属片(151)的对称轴(S)平行于所述二氧化硅层(14)的宽度方向。
4.根据权利要求3所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述二氧化硅层(14)为长方形结构，两个所述带状金属片(151)的长度方向均与所述二氧化硅层(14)的长度方向平行。
5.根据权利要求4所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述金属振子(15)的中心点在所述二氧化硅层(14)上表面上的投影(A)与所述二氧化硅层(14)上表面的中心点(B)的距离为0.05mm-0.2mm。
6.根据权利要求5所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述硅衬底层(13)的厚度为100～200μm。
7.根据权利要求6所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述第一填充层(2)设置在所述金属振子(15)上。
8.根据权利要求7所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述电磁带隙结构(3)包括自下而上依次设置的第二介质层(31)、第二填充层(32)和第三介质层(33)，所述第二介质层(31)设置在所述第一填充层(2)上。
9.根据权利要求8所述的高增益双频片上天线，其特征在于，所述第一介质层(12)、所述第二介质层(31)和所述第三介质层(33)分别为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层、锰锌铁氧体层或镍锌铁氧体层中的任一种。
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