CN201060931Y - 具有改进型半波对称振子结构的片上天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有改进型半波对称振子结构的片上天线，涉及集成电路制造技术。现有的半波对称振子天线存在工作频率过高的问题。本实用新型的具有改进型半波对称振子结构的片上天线，其两臂具有螺旋线圈结构，该螺旋线圈由一金属导体绕制而成。于本实用新型的较佳实施例中，所述螺旋线圈具有渐变的金属导体线宽和金属导体线间距，且从外圈到内圈，其金属导体线宽和金属导体线间距均逐渐减小。采用本实用新型的片上天线结构，不仅能提供较低的工作频率，而且具有较宽的谐振频率变化范围。

Description

具有改进型半波对称振子结构的片上天线

技术领域

本实用新型属于集成电路制造技术领域，尤其涉及集成电路芯片的片上天线。

背景技术

天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基本功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线作为射频电路中的关键元件，是电路中最难设计和掌握的元件，它的性能参数直接影响着射频电路的性能。

在CMOS射频集成电路(RFIC)的发展中，最迫切的和最困难的是要生产出高性能的新器件和新的单元电路，它们是实现单片CMOS集成射频前端的基础。因此，天线的集成化问题成了射频集成电路发展的瓶颈。而片上集成天线能解决射频集成电路中天线的集成化问题，从而有助于射频集成电路的片上系统实现。片上集成天线大多通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，相对于传统的线绕天线，片上集成天线具有成本低、易于集成、尺寸小和功耗低的优点，更重要的是能与现今的CMOS工艺兼容。

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单、独立地使用或用作抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。

一般情况下，片上对称振子天线的尺寸越小，其工作频率越大。当片上对称振子天线的尺寸在10mm以内时，其工作频率将达到几十GHz，甚至是几百GHz。这与现在绝大部分应用所需的片上天线的工作频率(为几十到几百MHz)相差甚远。

由频率计算公式 $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$ 可知，片上天线的工作频率f与线圈电感值L的平方根成反比，即L值越大，f值就越小。而线圈的L值与线圈圈数成正比，因此可以通过增加线圈圈数而达到降低工作频率的效果。然而，在设计片上天线的各个参数时，还必须综合考虑电磁场分布及多种寄生效应等问题，否则在满足频率要求的同时，可能无法满足低能耗的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有改进型半波对称振子结构的片上天线，不仅能够提供较低的工作频率，而且该片上天线结构具有较宽的谐振频率变化范围和较小的能量损耗。

为了达到上述的目的，本实用新型提供一种具有改进型半波对称振子结构的片上天线，所述片上天线的两臂具有螺旋线圈结构，该螺旋线圈由一金属导体绕制而成。

在上述的片上天线中，所述螺旋线圈具有渐变的金属线宽和金属线间距。

在上述的片上天线中，所述的螺旋线圈，从外圈到内圈，其金属线宽和金属线间距均逐渐减小。

本实用新型的具有改进型半波对称振子结构的片上天线，是在传统的半波对称振子天线的基础上，通过改变其两臂的结构，采用螺旋线圈结构，并在不改变外径大小的前提下，通过采用金属线宽及金属线间距同时渐变的结构，以降低螺旋线圈在高频时的涡流效应和临近效应，使串联等效电阻Rs下降，从而使其能量损耗变小。本实用新型的半波对称振子天线与传统的半波对称振子天线相比，有较低的工作频率，且通过调整线圈圈数可使其得到较宽变化范围的工作频率。

附图说明

通过以下实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为片上天线的结构剖视图；

图2为本实用新型第一实施例的天线结构俯视图，其两臂的螺旋线圈采用固定的金属线宽和金属线间距；

图3为本实用新型第二实施例的天线结构俯视图，其两臂的螺旋线圈采用渐变的金属线宽和金属线间距；

图4为本实用新型第二实施例的片上天线的线圈结构示意图。

具体实施方式

以下将对本实用新型的具有改进型半波对称振子结构的片上天线作进一步的详细描述。

请参阅图1，本实用新型的具有改进型半波对称振子结构的片上天线，其制造方法包括如下步骤：(a)完成集成电路芯片1的制造；(b)在集成电路芯片1表面依次淀积第一绝缘材料层2和第二绝缘材料层3；(c)光刻、刻蚀芯片连接区域4及天线结构5，并去胶清洗；(d)淀积金属扩散阻挡层、电镀金属层；(e)金属化学机械抛光，清洗；(f)淀积绝缘材料保护层6，完成片上天线的制造。

图2是本实用新型第一实施例的天线结构俯视图，本实用新型主要是在传统的半波对称振子天线的基础上，通过改变其两臂的结构，采用螺旋线圈结构，以获得较低的工作频率，且其谐振频率的变化范围很宽。该螺旋线圈由一金属导体绕制而成，于本实施例中，两臂的螺旋线圈采用固定的金属线宽和金属线间距。

图3是本实用新型第二实施例的天线结构俯视图，其在图2所示天线结构的基础上进行改进，两臂采用了具有渐变金属线宽和金属线间距的螺旋线圈，且从外圈到内圈，其金属线宽和金属线间距均逐渐减小。采用该渐变结构，可使螺旋线圈在高频时涡流效应和临近效应的影响降低，并使其串联等效电阻Rs下降，从而减小其能量损耗。

请参阅图4，其为图3所示的片上天线的左臂的螺旋线圈结构示意图。于本实施例中，螺旋线圈的圈数为3圈，其外径D_out为850微米；从外到内每一圈的金属线宽w₃、w₂、w₁逐渐减小，宽度依次为70微米、50微米和30微米；金属线间距s₂、s₁也由外向内递减，间距依次为60微米和40微米。

于本实用新型的另一实施例中，螺旋线圈的圈数为6圈，其外径D_out为600微米；从外到内每一圈的金属线宽w₆、w₅、w₄、w₃、w₂、w₁逐渐减小，宽度依次为13微米、11.8微米、10.6微米、9.4微米、8.2微米和7微米；金属线间距s₅、s₄、s₃、s₂、s₁也由外向内递减，间距依次为8微米、7微米、6微米、5微米和4微米。

于本实用新型的其它实施例中，也可根据工艺尺寸及谐振频率的要求采用其它的线圈圈数和外径，并设计相应的金属线宽及金属线间距。螺旋线圈的形状也可采用正六边形、正八边形、正十二边形、正十六边形、正三十二边形、圆形、菱形、椭圆形或其它适合制造工艺的形状。

综上所述，采用本实用新型提供的片上天线结构，能有效降低工作频率，并可通过调整线圈圈数得到较宽变化范围的工作频率。在保持L值基本不变的情况下，可使螺旋线圈的Q值达到最大化，从而有效提升片上天线的性能。

Claims (3)

1.一种具有改进型半波对称振子结构的片上天线，其特征在于：所述片上天线的两臂具有螺旋线圈结构，该螺旋线圈由一金属导体绕制而成。

2.如权利要求1所述的具有改进型半波对称振子结构的片上天线，其特征在于：所述螺旋线圈具有渐变的金属导体线宽和金属导体线间距。

3.如权利要求2所述的具有改进型半波对称振子结构的片上天线，其特征在于：所述的螺旋线圈，从外圈到内圈，其金属导体线宽和金属导体线间距均逐渐减小。

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