CN113506975A - 一种毫米波片上微阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波片上微阵列天线，包括：一个或多个微天线阵列单元，每个所述微天线阵列单元包括多个天线阵元，所述天线阵元形成于芯片上；透镜单元，对所述一个或多个微天线阵列单元发射的是磁波进行会聚。本发明的毫米波片上微阵列天线通过与芯片一体化集成，减少了信号走线长度，从而降低了因走线所引起的损耗；通过空间功率合成，从而消去功率合成网络带来的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种毫米波片上微阵列天线。
背景技术
随着毫米波技术的不断发展，毫米波系统不断朝着系统集成方向发展，这一方面来源于用户对系统小型化的需求，另一方面源于技术需求使然。工作频率的增加提升了系统性能，但同时也给设计带来了一定的挑战。增加工作频率，晶体管的最大输出功率降低，为了使系统在长距离范围内也能工作，传统的做法是采用多路通道，然后通过功率合成网络来增加系统的输出功率，但是在毫米波频段内，功率合成网络会带来巨大的损耗。与此同时，信号经封装基板与PCB相连会带来很大的插损，减少高频信号走线长度就能减小系统损耗。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种毫米波片上微阵列天线，用于解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种毫米波片上微阵列天线，包括：
一个或多个微天线阵列单元，每个所述微天线阵列单元包括多个天线阵元，所述天线阵元形成于芯片上；
透镜单元，对所述一个或多个微天线阵列单元发射的是磁波进行会聚。
可选地，所述天线阵元的结构为短偶极子天线结构。
可选地，对于每个所述微天线阵列单元，所述多个天线阵元沿着短偶极子天线的臂的方向间隔且均匀排列。
可选地，所述透镜单元包括圆柱形透镜和半球形透镜，所述圆柱形透镜的第一底面与所述半球形透镜的圆形底面相接触；所述芯片设置于所述圆柱形透镜的第二底面上。
可选地，所述圆柱形透镜的轴与半球形透镜的球心位于同一直线上。
可选地，所述芯片的衬底的材料为硅。
可选地，所述圆柱形透镜和半球形透镜的材料为高电阻的硅。
可选地，所述微阵列天线采用集成电路工艺中的一层或者多次金属制造。
如上所述，本发明提供的一种毫米波片上微阵列天线，具有以下有益效果：
本发明的一种毫米波片上微阵列天线，包括：一个或多个微天线阵列单元，每个所述微天线阵列单元包括多个天线阵元，所述天线阵元形成于芯片上；透镜单元，对所述一个或多个微天线阵列单元发射的是磁波进行会聚。本发明中的天线阵元采用短偶极子天线结构，减小了天线的输入阻抗，从而降低了电路的匹配难度；发射功率可以通过空间功率合成，去除了因功率合成网络带来的损耗，从而提高芯片的输出功率；天线与芯片一体化集成，减少了信号走线长度，从而降低了因走线所引起的损耗；通过透镜提高天线的增益，进一步提高系统性能。
附图说明
图1为本发明一实施例一种毫米波片上微阵列天线的俯视图；
图2为本发明一实施例天线阵元的结构示意图；
图3为本发明一实施例一种毫米波片上微阵列天线的侧视图；
图4为本发明另一实施例一种毫米波片上微阵列天线的俯视图；
图5为本发明另一实施例毫米波片上微阵列天线二维增益图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”、“A”和“B”等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制，并且仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，在不背离下述技术的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，类似地，第二元素可以被称为第一元素。术语“和/或”包括多个相关项的组合或多个相关项中的任何项。
如本文所用，除非上下文另外指出，否则单数形式也意图包括复数形式，将理解的是，术语“包括”意味着所述特征、数量、步骤、操作、元素或它们的组合的存在，但是不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元素、组件或它们的组合的存在或添加。
在详细描述附图之前，意图阐明本说明书中的组件的划分仅由每个组件的主要功能进行划分。即，以下将描述的两个或更多个组件可以组合成一个组件，或者可以根据更详细的功能划分成两个或更多个组件。除了组件的主要功能之外，下面将描述的每个组件还可以另外执行其他组件的一些或全部功能，并且每个组件的一些主要功能可以由其他组件专门执行。
如图1所示，本申请一实施例提供一种毫米波片上微阵列天线，包括：
一个或多个微天线阵列单元13，每个所述微天线阵列单元包括多个天线阵元，所述天线阵元形成于芯片12上；
透镜单元11，对所述一个或多个微天线阵列单元发射的电磁波进行会聚。
本实施例中的天线阵元采用短偶极子天线结构，减小了天线的输入阻抗，从而降低了电路的匹配难度；发射功率可以通过空间功率合成，去除了因功率合成网络带来的损耗，从而提高芯片的输出功率；天线与芯片一体化集成，减少了信号走线长度，从而降低了因走线所引起的损耗；通过透镜提高天线的增益，进一步提高系统性能。
在一实施例中，芯片的衬底材料为硅。天线阵元在发射电磁波时，会向各个方向辐射。由于芯片的衬底的材料为硅，其介电常数比较高，因而大部分电磁波会往透镜单元的方向辐射，透镜单元改变电磁波的传播方向，对电磁波起到会聚作用，然后电磁波从透镜单元发射出去，从而起到增强天线增益的目的。
在一实施例中，如图3所示，透镜单元位于阵列天线的正下方且与芯片的衬底相接。所述透镜单元包括圆柱形透镜111和半球形透镜112，所述圆柱形透镜的第一底面113与所述半球形透镜的圆形底面相接触；所述芯片设置于所述圆柱形透镜的第二底面114上。所述圆柱形透镜的轴与半球形透镜的球心位于同一直线上。所述圆柱形透镜和半球形透镜的材料为高电阻的硅。
在一实施例中，所述天线阵元的结构为短偶极子天线结构。通过采用短偶极子天线结构减小了天线的输入阻抗，从而降低了电路的匹配难度。
偶极子天线是在无线电通信中使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时，电信号从天线中心馈入导体。如图2所示，短偶极子天线由两根共轴的直导线131构成，这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的，并且在理论上能够严格求解。天线阵元的长度小于信号在天线中波长的1/2，天线阵元的馈电端口与有源电路相连，信号到达每个天线阵元馈电端口处的相位和幅度均相等。如图2所示，对于每个所述微天线阵列单元，每个天线阵元之间的边沿间距很小，通常为天线所在金属层集成电路设计规则所允许的最小间距。所述多个天线阵元沿着短偶极子天线的臂的方向间隔且均匀排列。
在一实施例中，所述微阵列天线采用集成电路工艺中的一层或者多次金属制造。
在一实施例中，如图4所示，微阵列天线包括一个微天线阵列单元，其中，所述微天线阵列单元包括4个天线阵元1311、1312、1313、1314。这4个天线阵元为短偶极子天线，4个天线阵元沿着短偶极子天线的臂的方向间隔且均匀排列。每个天线阵元天线馈电端口132的宽度为5um，单个臂端L1为95um，每个天线阵元之间的中心间距D1为200um。微阵列天线设置在芯片上，其中，芯片采用TSMC CMOS 65nm的工艺制造，微阵列天线采用第9层金属制造，芯片的厚度H1为300um。
上述的4个天线阵元可以通过空间功率合成的方式去除因功率合成网络带入的损耗，从而提高芯片输出功率。
微阵列天线包括透镜单元，透镜单元的结构可以具有各种形状。例如，透镜单元可以具有一定厚度的平面形状。在本实施例中，透镜单元包括圆柱形透镜和半球形透镜，其中圆柱形透镜的高度H2为1.44mm，半球形透镜的半径R为6.255mm。圆柱形透镜和半球形透镜是具有特定介电常数的电介质，优选为具有预定值以上的介电常数和磁导率中的至少一个的电介质。
图5为本实施例中微阵列天线的2维增益图。通过图5可以了解到，天线辐射的电磁波通过透镜单元的会聚后，增益可以达到大约17db，而没有通过透镜单元的处理，增益一般只有2-3db。因此，通过增加透镜可以明显的提高天线的增益。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种毫米波片上微阵列天线，其特征在于，包括：
一个或多个微天线阵列单元，每个所述微天线阵列单元包括多个天线阵元，所述天线阵元形成于芯片上；
透镜单元，对所述一个或多个微天线阵列单元发射的电磁波进行会聚。
2.根据权利要求1所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述天线阵元的结构为短偶极子天线结构。
3.根据权利要求2所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，对于每个所述微天线阵列单元，所述多个天线阵元沿着短偶极子天线的臂的方向间隔且均匀排列。
4.根据权利要求1所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述透镜单元包括圆柱形透镜和半球形透镜，所述圆柱形透镜的第一底面与所述半球形透镜的圆形底面相接触；所述芯片设置于所述圆柱形透镜的第二底面上。
5.根据权利要求4所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述圆柱形透镜的轴与半球形透镜的球心位于同一直线上。
6.根据权利要求1所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述芯片的衬底的材料为硅。
7.根据权利要求4所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述圆柱形透镜和半球形透镜的材料为高电阻的硅。
8.根据权利要求1所述的毫米波片上微阵列天线，其特征在于，所述微阵列天线采用集成电路工艺中的一层或者多次金属制造。
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