CN203521602U - 一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线 - Google Patents
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Abstract
一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，可用于近场通信、无限个人网络、超宽带无线通讯、未来数字家庭、显示器高速无线接口、智能射频标签等。包括梯形辐射金属片、微带馈电金属线、第一矩形接地金属片、矩形信号金属片和第二矩形接地金属片；梯形辐射金属片的短边与微带馈电金属线的一端相连，微带馈电金属线的另一端与矩形信号金属片相连；整个单极子片上集成天线使用CMOS顶层金属层制作而成，顶层金属层下面是介质基板。第一、第二矩形接地金属片与介质基板中集成的地平面金属片相连。本实用新型结构紧凑，整个天线在硅片上用CMOS工艺制作，在不影响其他天线参数的前提下，调整梯形辐射金属片的尺寸就可以调整天线中心频率。
Description
技术领域
本实用新型涉及高速无线通信、近场通信，毫米波集成电路和片上天线技术领域，特别涉及一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线的结构。
背景技术
无线个人局域网络（WPANs）、近场通信（NFC）、显示器无线接口、数字家庭等技术的发展，使无线通信技术步入高分辨率大容量媒体数据传输的时代，特别是毫米波无线通信技术，在移动分布式计算，无线游戏及无线高速传输超大文件等领域具有巨大市场前景。60吉赫兹频率自由空间波长只有5毫米，采用很小体积的天线就可以实现无线数据的收发，所需的天线尺寸也相应减小，同时CMOS和BiCMOS技术的发展使集成电路和系统能够在毫米波频段稳定的工作，这使得片上集成天线成为可能。因此，在单芯片上集成天线、低噪声放大器，混频器，变频器，检波器，调制器和收发器成为可能。片上天线的集成可以有效减小无线通信收发系统的体积，提高收发系统的可靠性和紧凑型，降低系统成本。
虽然将天线集成在芯片内可以有效的减小收发器体积，降低制作成本，但目前仍面临许多技术上的挑战，特别是采用CMOS工艺来设计和制作毫米波片上天线，需要解决诸如受限的金属形状与尺寸，金属材料电导率，硅衬底电阻率低而介电常数高等，这些因素会明显地降低片上集成天线的性能，直接影响片上集成天线的辐射效率和增益。
近年来已提出多种片上集成天线增强方法，如光子带隙、质子注入提高硅基电阻率、添加介质透镜、深反应离子刻蚀硅基微加工等，但是都以提高工艺复杂性为代价，不仅增加了制造成本，而且与CMOS工艺不兼容，不易推广应用。
目前高增益宽带片上集成天线的设计是一种挑战，人工磁导体技术的发展，为60吉赫兹和毫米波片上集成天线的发展提供了新的方向。基于CMOS工艺的片上集成天线的发展对下一代毫米波无线通信技术的发展具有重大意义。
发明内容
本实用新型目的是解决如何改善片上集成天线的辐射性能，特别是调整梯形辐射金属片短边尺寸能够微调天线中心工作频率的技术问题，以提高片上集成天线与激励电路的匹配，提供一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线。
本实用新型提供的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线包括：
梯形辐射金属片、微带馈电金属线、第一矩形接地金属片、矩形信号金属片和第二矩形接地金属片；梯形辐射金属片的短边与微带馈电金属线的一端相连，微带馈电金属线的另一端与矩形信号金属片相连，矩形信号金属片作为驱动信号输入端和接收信号输出端；整个单极子片上集成天线使用CMOS工艺的顶层金属层制作而成，顶层金属层下面是介质基板；所述的第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片相对独立，并利用通孔与顶层金属层下面的介质基板中集成的地平面金属片相连。
所述的介质基板由下至上依次包括硅衬底、集成的地平面金属片、人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层堆叠而成；人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层构成人工磁导体；所述集成的地平面金属片和人工磁导体金属层之间用人工磁导体下介质层隔开。
所述的梯形辐射金属片采用平面梯形形状，其短边的尺寸根据片上集成天线的中心工作频率和与激励电路的匹配参数来确定。本实用新型所述的梯形辐射金属片的高度为140微米，长边为150微米，短边为100微米；微带馈电金属线的长度为225微米，宽度为10微米；第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片是边长为50微米的正方形，矩形信号金属片是边长为40微米的正方形，或边长为40微米×20微米的长方形。
所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线中心工作频率在60吉赫兹时，具有10吉赫兹带宽。
所述的制备梯形辐射金属片的金属层用CMOS工艺的顶层金属层制作。
所述的制备地平面金属片的金属层用CMOS工艺的第一层金属层制作。
所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线采用传统的CMOS工艺实现。
本实用新型的优点和积极效果：
本实用新型提供的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，改变梯形辐射金属片的短边尺寸，能够明显改善片上集成天线与驱动电路之间的匹配，而不会影响天线的其他辐射性能。该梯形单极子片上集成天线在中心工作频率为59.8吉赫兹时，带宽为10吉赫兹，最大增益为3.81dBi，尺寸为0.6mm*1.2mm。本实用新型提供的梯形单极子片上集成天线结构简单，完全兼容现行的CMOS工艺。
附图说明
图1是一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线结构示意图；
图2是一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线内部结构示意图；
图3是一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线顶层金属层设计参数图；
图4是一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与收发电路片上布局图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实用新型提供的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线包括：
梯形辐射金属片1、微带馈电金属线5、第一矩形接地金属片8、矩形信号金属片6和第二矩形接地金属片7，在CMOS工艺的顶层金属层9上制作而成，顶层金属层9下面是介质基板2。
所述的梯形辐射金属片1采用平面梯形形状，其短边与微带馈电金属线5的一端相连，短边的尺寸根据片上集成天线的中心工作频率和与激励电路的匹配参数来确定；微带馈电金属线5的另一端与矩形信号金属片6相连，矩形信号金属片6是驱动信号输入端和接收信号输出端；第一矩形接地金属片8和第二矩形接地金属片二7利用通孔与集成的地平面金属片13相连。
所述的金属层下面的介质基板2由硅衬底14、集成的地平面金属片13和人工磁导体3堆叠而成（参见图2）；人工磁导体3包括人工磁导体下介质层12、人工磁导体金属层11和人工磁导体上介质层10；集成的地平面金属片13和人工磁导体金属层11之间由人工磁导体下介质层12隔开，人工磁导体层金属层11和顶层金属层9之间由人工磁导体上介质层10隔开；所述的介质层用溅射的二氧化硅实现。
附图1中的井字型图案是人工磁导体3的井字型开孔4。
所述的制备梯形辐射金属片的金属层用CMOS工艺的顶层金属层9制作。
所述的制备地平面金属片的金属层用CMOS工艺的第一层金属层制作。
所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线采用传统的CMOS工艺实现。
一、本实用新型的顶层金属层的图形设计
如图3所示，在顶层金属层9制作梯形辐射金属片1、微带馈电金属线5、第一矩形接地金属片8、矩形信号金属片6和第二矩形接地金属片7等金属片，关键设计尺寸如下：
A是梯形辐射金属片1的长边尺寸15，对片上集成天线的带宽和端口匹配具有较大的影响，本实用新型尺寸A取150微米；
B是梯形辐射金属片1的高度尺寸16，对片上集成天线的中心工作频率、天线带宽以及回波损耗影响很大，是一个重要的参数，需要精密设计，本实用新型尺寸B取140微米；
C是是梯形辐射金属片1的短边尺寸17，对片上集成天线的中心工作频率和与激励电路的匹配具有较大影响，可用来调整天线的中心工作频率，本实用新型尺寸C取100微米；
D是微带馈电金属线5的宽度18，E是微带馈电金属线5的长度19，这两个尺寸对片上集成天线的中心工作频率和天线与驱动电路的匹配关系很大，本实用新型尺寸D取10微米，尺寸E取225微米；
F是矩形信号金属片6与第一矩形接地金属片8和第二矩形接地金属片7之间的距离F，这个尺寸对天线与驱动电路的匹配影响很大，在本实用新型中尺寸F的取40微米；
G是第一矩形接地金属片8和第二矩形接地金属片7的一边边长21，H是第一矩形接地金属片8和第二矩形接地金属片7的另一边边长22，这两个尺寸影响天线与驱动电路的匹配参数，本实用新型第一矩形接地金属片8和第二矩形接地金属片7采用正方形结构，尺寸G和尺寸H的数值都取50微米；
J和K分别是矩形信号金属片6的边长23和边长24，本实用新型矩形信号金属片6采用长方形结构，边长K的尺寸23取40微米，边长J的尺寸24取20微米。
二、本实用新型集成设计方法说明
本实用新型提出的一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与驱动电路和收发器电路集成在一个芯片上，芯片布局如图4所示：
芯片上射频信号收发器电路25、低噪声放大器26、驱动电路27和梯形单极子片上集成天线28分三个相对隔开的区域单独设计；
收发器电路25的发送信号输出端与驱动电路27的输入端相连，驱动电路27的输出端与梯形单极子片上集成天线28中的矩形信号金属片6相连，通过梯形单极子片上集成天线28实现信号辐射；
矩形信号金属片6也与低噪声放大器26的输入端相连，由梯形单极子片上集成天线接收到的辐射信号，通过矩形信号金属片6送到低噪声放大器26的输入端，低噪声放大器26的输出端与收发器电路25的接收信号输入端相连，并从低噪声放大器26的输出端获取接收到的信号；
在梯形单极子片上集成天线28的设计区域，利用CMOS的第一金属层，制备地平面金属片13，利用CMOS的第二金属层，制备人工磁导体3中的人工磁导体金属层11，用来减小硅衬底对射频信号的耦合损耗；
Claims (4)
1.一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，其特征在于该单极子片上集成天线包括：
梯形辐射金属片、微带馈电金属线、第一矩形接地金属片、矩形信号金属片和第二矩形接地金属片；梯形辐射金属片的短边与微带馈电金属线的一端相连，微带馈电金属线的另一端与矩形信号金属片相连，矩形信号金属片作为驱动信号输入端和接收信号的输出端；整个单极子片上集成天线使用CMOS制程的顶层金属层制作而成，顶层金属层下面是介质基板；所述的第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片相对独立，并利用通孔与顶层金属层下面的介质基板中集成的地平面金属片相连。
2.根据权利要求1所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，其特征在于所述的介质基板由下至上依次包括硅衬底、集成的地平面金属片、人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层堆叠而成；人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层构成人工磁导体；所述集成的地平面金属片和人工磁导体金属层之间用人工磁导体下介质层隔开。
3.根据权利要求1或2所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，其特征在于，所述的梯形辐射金属片的高度为140微米，长边为150微米，短边为100微米；微带馈电金属线的长度为225微米，宽度为10微米；第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片是边长为50微米的正方形，矩形信号金属片是边长为40微米的正方形，或边长为40微米×20微米的长方形。
4.根据权利要求1或2所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线，其特征在于，所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线中心工作频率在60吉赫兹时，具有10吉赫兹带宽。
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