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一种应用于毫米波频段的l形宽带宽波束圆极化片上天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线，用以解决电磁波传输中的散射问题。本发明包括从下往上依次层叠的接地层1、硅衬底层2、二氧化硅层3及钝化层4，二氧化硅层中设置由分形天线变形形成的L形天线5。本发明中，片上天线能够与CMOS芯片集成，去除了芯片间互连线的影响，使得天线结构更加简单，大大降低制造精度及可靠性的需求，减小了集成的成本，简化了芯片间信号传输的匹配问题，同时极大的节省了系统占用的面积；同时，该片上天线具有宽带宽特性，适用于多个频段的信号传输；并且具有圆极化特性，能够减少极化失配的影响，且在接受信号时去除散射波的影响，消除了多径干扰。

Description

一种应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及毫米波集成电路和片上天线技术，特别涉及一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展以及智能终端的大范围普及，低频段的资源被大量使用，这使得无线通信系统分配的频谱资源变得日益拥挤，系统容量变得日益匮乏，为了解决系统容量匮乏以及频谱资源短缺问题，研究者们将目光转向了更加广阔的毫米波段。作为收发射频信号的无源器件，天线是通信系统的核心，如何增加天线的频谱数据传输量是毫米波通信发展的重大挑战。57～64GHz是目前最热门的毫米波频段之一，适用于高带宽短距离无线通信系统；这样的高频下天线的尺寸较小，极为适合与芯片集成在一起，而CMOS工艺提供了这样一个集成的平台。目前将天线与芯片集成在一起的技术分为片上天线与封装天线两种，与封装天线相比，片上天线直接放置在芯片上，去除了芯片间互连线的影响，使得结构变得简单，降低了制造精度可靠性的需求，减小了集成的成本。
圆极化电磁波的电场强度矢量随时间变化，传输轨迹在传输方向法平面投影为圆形。圆极化天线可以接受任意极化的电磁波，减少极化失配的影响；同时圆极化波具有旋向正交性，在遇到障碍物后散射形成的波的旋向相反，这样就使得直射波与散射波区分开来，在接受天线处就可以只接受直射波，消除了多径干扰。圆极化天线由于它良好的性能，被广泛用于雷达系统，空间和卫星通信和无线应用等方面。
基于此，本发明提供一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线。
发明内容
本发明的目的在于针对毫米波频段和片上天线设计，解决电磁波传输中的散射问题，提出了一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线，用以接受不同极化的电磁波，减少极化失配影响。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线，包括从下往上依次层叠的接地层1、硅衬底层2、二氧化硅层3及钝化层4；其特征在于，所述二氧化硅层中设置有L形天线5，所述L形天线5包括：L形辐射贴片6、馈线7以及GSG焊盘8，所述L型辐射贴片6通过馈线7连接到GSG焊盘8的信号端；
所述L型辐射贴片6由分形天线切角形成，所述分形天线由共顶点设置的第五等腰三角形贴片6-5、第四等腰三角形贴片6-4、第二等腰三角形贴片6-2、第一等腰三角形贴片6-1与第三等腰三角形贴片6-3沿顺时针方向依次拼接构成，每个等腰三角形贴片的顶角均为72°，第五、第四、第三、第二等腰三角形贴片的腰长分别为第一等腰三角形贴片的腰长的5、4、3、2倍，所述馈线连接于第五等腰三角形贴片的底边上、且位于中点；
所述切角为L形切角，所述L型切角的长边与馈线的上边缘重合；所述L型切角的短边垂直于馈线，且位于第四等腰三角形贴片6-4邻接第五等腰三角形贴片6-5一侧的底角与第二等腰三角形贴片6-2邻接第四等腰三角形贴片6-4一侧的底角之间。
进一步的，所述馈线7呈直线，其宽度与GSG焊盘的信号端口的宽度相同。
进一步的，所述GSG焊盘8的两个接地端口还分别设置有矩形金属填充结构9。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线，尤其是57～64GHz频段；具有如下优点：
1)该片上天线能够与CMOS芯片集成，去除了芯片间互连线的影响，使得天线结构更加简单，大大降低制造精度及可靠性的需求，减小了集成的成本，简化了芯片间信号传输的匹配问题，同时极大的节省了系统占用的面积。
2)该片上天线由分形结构变形而成，具有宽带宽特性，适用于多个频段的信号传输；
3)该片上天线具有圆极化特性，能够接受不同极化的电磁波，减少极化失配的影响；同时圆极化波具有旋向正交性，在遇到障碍物后散射形成的波的旋向相反，能够在接受信号时去除散射波的影响，消除了多径干扰。
附图说明
图1为本发明中L形宽带宽波束圆极化片上天线的结构俯视示意图。
图2为本发明中L形宽带宽波束圆极化片上天线的结构剖视示意图。
图3为本发明中L形宽带宽波束圆极化片上天线的结构原理示意图。
图4为本发明实施例中L形宽带宽波束圆极化片上天线集成于CMOS工艺芯片的剖视示意图。
图5为本发明实施例中L形宽带宽波束圆极化片上天线的回波损耗。
图6为本发明实施例中L形宽带宽波束圆极化片上天线的增益。
图7为本发明实施例中L形宽带宽波束圆极化片上天线的轴比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
本实施例提供一种应用于60GHz的L形宽带宽波束圆极化片上天线，其结构如图2所示，具体包括：从下往上依次层叠的接地层1、硅衬底层2、二氧化硅层3及钝化层4，所述二氧化硅层中设置有L形天线5；更进一步的，所述L形天线5如图1所示，包括：L形辐射贴片6、馈线7以及GSG焊盘8，所述L型辐射贴片6通过馈线7连接到GSG焊盘8的信号端，所述GSG焊盘8的两个接地端还分别设置有矩形金属填充结构9；
所述L型辐射贴片6由分形天线切角形成；所述分形天线如图3所示，具体由共顶点设置的第五等腰三角形贴片6-5、第四等腰三角形贴片6-4、第二等腰三角形贴片6-2、第一等腰三角形贴片6-1与第三等腰三角形贴片6-3沿顺时针方向依次拼接构成，每个等腰三角形贴片的顶角均为72°，第五、第四、第三、第二等腰三角形贴片的腰长分别为第一等腰三角形贴片的腰长的5、4、3、2倍，所述馈线连接于第五等腰三角形贴片的底边上、且位于中点；
所述切角为L形切角，所述L型切角的长边与馈线的上边缘重合；所述L型切角的短边垂直于馈线，且位于第四等腰三角形贴片6-4邻接第五等腰三角形贴片6-5一侧的底角与第二等腰三角形贴片6-2邻接第四等腰三角形贴片6-4一侧的底角之间；如图3所示，即L型切角的短边平行于两条虚线、且位于两条虚线之间，使得整个分形天线切角后形成类似L形辐射贴片，如图2所示；且在该范围内任意一个平行线均可作为切角的短端，用以实现圆极化特性，且保证该圆极化天线具有宽波束圆极化的特性。
更进一步的，将上述应用于60GHz的L形宽带宽波束圆极化片上天线集成于CMOS芯片，如图4所示，二氧化硅层3中设置有六层金属层，从上至下的依次为顶层金属M6层到底层金属M1，上述L形天线5位于顶层金属M6；更进一步的，为了实现输入端口50Ω阻抗匹配、馈线与信号端口宽度相同；为了提升天线的性能，金属填充结构9起到了增大CPW馈电中的地结构，本实施例中，金属填充结构尺寸为450×450um2，而接地端口的尺寸为80×80um2；本实施例中，GSG焊盘的之间的间距为32um，对应pitch为100um的探针，便于天线测试。
利用电磁场仿真软件对本实施例中L形宽带宽波束圆极化片上天线进行仿真，如图5所示为天线的回波损耗，可以看出天线在50GHz～100GHz S11参数均小于-10dB，在62GHz附近存在一个谐振点，天线的相对带宽可达75％，具有宽带特性。如图6所示为天线的增益图，其中，图6(a)是60GHz处天线的增益，可以看出天线的最大增益点在0°附近，最大增益达到-1.8dB；图6(b)是不同频率特性的增益图，从图中看出天线在63.5GHz处取得最大增益-1.67dB，并且在整个轴比带宽内增益都在-1.85dB以上。如图7所示为天线的轴比图，其中，图7(a)所示的是60GHz处不同角度的轴比，在-19°到79°之间，天线的轴比均小于3dB，天线具有宽波束圆极化特性，最大增益出现的0°位置轴比也在3dB以下；图7(b)所示的是不同频率下天线的轴比，在59.5-64GHz频带内天线的轴比小于3dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种应用于毫米波频段的L形宽带宽波束圆极化片上天线，包括从下往上依次层叠的接地层(1)、硅衬底层(2)、二氧化硅层(3)及钝化层(4)；其特征在于，所述二氧化硅层中设置有L形天线(5)，所述L形天线包括：L形辐射贴片(6)、馈线(7)以及GSG焊盘(8)，所述L型辐射贴片通过馈线连接到GSG焊盘的信号端；
所述L型辐射贴片(6)由分形天线切角形成，所述分形天线由共顶点设置的第五等腰三角形贴片(6-5)、第四等腰三角形贴片(6-4)、第二等腰三角形贴片(6-2)、第一等腰三角形贴片(6-1)与第三等腰三角形贴片(6-3)沿顺时针方向依次拼接构成，每个等腰三角形贴片的顶角均为72°，第五、第四、第三、第二等腰三角形贴片的腰长分别为第一等腰三角形贴片的腰长的5、4、3、2倍，所述馈线连接于第五等腰三角形贴片的底边上、且位于中点；
所述切角为L形切角，所述L型切角的长边与馈线的上边缘重合；所述L型切角的短边垂直于馈线，且位于第四等腰三角形贴片(6-4)邻接第五等腰三角形贴片(6-5)一侧的底角与第二等腰三角形贴片(6-2)邻接第四等腰三角形贴片(6-4)一侧的底角之间。
2.按权利要求1所述L形宽带宽波束圆极化片上天线，其特征在于，所述馈线(7)呈直线，其宽度与GSG焊盘的信号端口的宽度相同。
3.按权利要求1所述L形宽带宽波束圆极化片上天线，其特征在于，所述GSG焊盘(8)的两个接地端口还分别设置有矩形金属填充结构(9)。
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