一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法。該天線可用于近場(chǎng)通信、無限個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、超寬帶無線通訊、數(shù)字家庭、顯示器高速無線接口、智能射頻標(biāo)簽等。包括梯形輻射金屬片、微帶饋電金屬線、第一矩形接地金屬片、矩形信號(hào)金屬片和第二矩形接地金屬片；梯形輻射金屬片的短邊與微帶饋電金屬線的一端相連，微帶饋電金屬線的另一端與矩形信號(hào)金屬片相連；第一、第二矩形接地金屬片分別與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、中心工作頻率精準(zhǔn)等特點(diǎn)，完全兼容現(xiàn)行的CMOS工藝，是一種有發(fā)展前景的新技術(shù)。
【專利說明】一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高速無線通信、近場(chǎng)通信，毫米波集成電路和片上天線【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(WPANs)、近場(chǎng)通信(NFC)、顯示器無線接口、數(shù)字家庭等技術(shù)的發(fā)展，使無線通信技術(shù)步入高分辨率大容量媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)代，特別是毫米波無線通信技術(shù)，在移動(dòng)分布式計(jì)算，無線游戲及無線高速傳輸超大文件等領(lǐng)域具有巨大市場(chǎng)前景。60吉赫茲頻率自由空間波長只有5毫米，采用很小體積的天線就可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，所需的天線尺寸也相應(yīng)減小，同時(shí)CMOS和BiCMOS技術(shù)的發(fā)展使集成電路和系統(tǒng)能夠在毫米波頻段穩(wěn)定的工作，這使得片上集成天線成為可能。因此，在單芯片上集成天線、低噪聲放大器、混頻器、變頻器、檢波器、調(diào)制器和收發(fā)器成為可能。片上天線的集成可以有效減小無線通信收發(fā)系統(tǒng)的體積，提高收發(fā)系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)成本。
[0003]雖然將天線集成在芯片內(nèi)可以有效的減小收發(fā)器體積，降低制作成本，但目前仍面臨許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，特別是采用CMOS工藝來設(shè)計(jì)和制作毫米波片上天線，需要解決諸如受限的金屬形狀與尺寸，金屬材料電導(dǎo)率，硅襯底電阻率低而介電常數(shù)高等，這些因素會(huì)明顯地降低片上集成天線的性能，直接影響片上集成天線的輻射效率和增益。
[0004]近年來已提出多種片上集成天線增強(qiáng)方法，如光子帶隙、質(zhì)子注入提高硅基電阻率、添加介質(zhì)透鏡、深反應(yīng)離子刻蝕硅基微加工等，但是都以提高工藝復(fù)雜性為代價(jià)，不僅增加了制造成本，而且與CMOS工藝不兼容，不易推廣應(yīng)用。
[0005]目前高增益寬帶片上集成天線的設(shè)計(jì)是一種挑戰(zhàn)，人工磁導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為60吉赫茲和毫米波片上集成天線的發(fā)展提供了新的方向?；贑MOS工藝的片上集成天線的發(fā)展對(duì)下一代毫米波無線通信技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是解決如何改善片上集成天線的輻射性能，特別是調(diào)整梯形輻射金屬片短邊尺寸能夠微調(diào)天線中心工作頻率的技術(shù)問題，以提高片上集成天線與激勵(lì)電路的匹配，提供一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法。
[0007]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線包括:
[0008]梯形輻射金屬片、微帶饋電金屬線、第一矩形接地金屬片、矩形信號(hào)金屬片和第二矩形接地金屬片；梯形輻射金屬片的短邊與微帶饋電金屬線的一端相連，微帶饋電金屬線的另一端與矩形信號(hào)金屬片相連，矩形信號(hào)金屬片作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端和接收信號(hào)的輸出端；所述的第一矩形接地金屬片和第二矩形接地金屬片相對(duì)獨(dú)立，并利用通孔與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。
[0009]所述的介質(zhì)基板由下至上依次包括硅襯底、集成的地平面金屬片、人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層堆疊而成；人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層構(gòu)成人工磁導(dǎo)體；所述集成的地平面金屬片和人工磁導(dǎo)體金屬層之間用人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層隔開。
[0010]所述的單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
[0011]所述的梯形輻射金屬片采用平面梯形形狀，其短邊的尺寸根據(jù)片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配參數(shù)來確定。本發(fā)明所述的梯形輻射金屬片的高度為140微米，長邊為150微米，短邊為100微米；微帶饋電金屬線的長度為225微米，寬度為10微米；第一矩形接地金屬片和第二矩形接地金屬片是邊長為50微米的正方形，矩形信號(hào)金屬片是邊長為40微米的正方形，或邊長為40微米X20微米的長方形。
[0012]所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線中心工作頻率在60吉赫茲時(shí)，具有10吉赫茲帶寬。
[0013]所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
[0014]所述制備地平面金屬片的金屬層用CMOS工藝的第一層金屬層制作。
[0015]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的制作,依次經(jīng)過下述步驟:
[0016]第一、在磷娃玻璃工藝基礎(chǔ)上,米用電子束蒸發(fā)或派射的方法，在娃片上沉積一層招、招娃合金或招娃銅合金制作完成CMOS工藝的第一金屬層；
[0017]第二、利用CMOS工藝的光刻方法,在第一金屬層制作集成的地平面金屬片；
[0018]第三、在第一金屬層上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體的下介質(zhì)層；
[0019]第四、退火，在二氧化硅絕緣層上面，沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作第二金屬層，作為人工磁導(dǎo)體金屬層；
[0020]第五、通過CMOS工藝的光刻方法,在第二金屬層制作人工磁導(dǎo)體的井字型開孔金屬片;
[0021]第六、在第二金屬層上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體的上介質(zhì)層；
[0022]以上步驟形成了所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線介質(zhì)基板；
[0023]第七、利用CMOS工藝的頂層金屬工藝，在人工磁導(dǎo)體上面沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層；利用光刻在頂層金屬層制作梯形輻射金屬片、微帶饋電金屬線、第一矩形接地金屬片、矩形信號(hào)金屬片和第二矩形接地金屬片；
[0024]第八、利用絕緣層(上介質(zhì)層和下介質(zhì)層)上的金屬過孔將第一矩形接地金屬片、第二矩形接地金屬片和地平面金屬片連接起來，將矩形信號(hào)金屬片與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0026]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，改變梯形輻射金屬片的短邊尺寸，能夠明顯改善片上集成天線與驅(qū)動(dòng)電路之間的匹配，而不會(huì)影響天線的其他輻射性能。該梯形單極子片上集成天線在中心工作頻率為59.8吉赫茲時(shí)，帶寬為10吉赫茲，最大增益為3.81dBi，尺寸為0.6mm*l.2mm。本發(fā)明提供的梯形單極子片上集成天線具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、中心工作頻率精準(zhǔn)等特點(diǎn)，完全兼容現(xiàn)行的CMOS工藝，是一種具有發(fā)展前景的新技術(shù)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線頂層金屬層設(shè)計(jì)參數(shù)圖；
[0030]圖4是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線與收發(fā)電路片上布局圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例1、60吉赫茲梯形單極子片上集成天線
[0032]如圖1所示，本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，包括:
[0033]梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號(hào)金屬片6和第二矩形接地金屬片7 ;所述的梯形輻射金屬片I采用平面梯形形狀，其短邊與微帶饋電金屬線5的一端相連，微帶饋電金屬線5的另一端與矩形信號(hào)金屬片6相連，矩形信號(hào)金屬片6作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、矩形信號(hào)金屬片6、第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7，使用CMOS工藝的頂層金屬層9制作而成；所述的第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7與其他部件相互獨(dú)立，并利用金屬通孔與集成的地平面金屬片13相連。
[0034]梯形輻射金屬片的短邊的尺寸根據(jù)片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配參數(shù)來確定。
[0035]所述的頂層金屬層下面的介質(zhì)基板2 (參見圖2)由下至上依次包括硅襯底14、集成的地平面金屬片13、人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12、人工磁導(dǎo)體金屬層11和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10堆疊而成；人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12、人工磁導(dǎo)體金屬層11和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10構(gòu)成人工磁導(dǎo)體3。
[0036]集成的地平面金屬片13和人工磁導(dǎo)體金屬層11之間由人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12隔開，人工磁導(dǎo)體層金屬層11和頂層金屬層9的金屬片之間由人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10隔開；所述的人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10和人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12用濺射的二氧化硅絕緣層實(shí)現(xiàn)。
[0037]所述的制備梯形輻射金屬片的金屬層用CMOS工藝的頂層金屬層制作。
[0038]所述的制備地平面金屬片的金屬層用CMOS工藝的第一層金屬層制作。
[0039]所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
[0040]實(shí)施例2、60吉赫茲梯形單極子片上集成天線制作
[0041]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的具體制作步驟如下:
[0042]第一、采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射的方法，在硅片上沉積一層鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作完成CMOS工藝的第一金屬層；
[0043]第二、利用光刻的方法，在第一金屬層制作集成的地平面金屬片13;
[0044]第三、在第一金屬層上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12 ；
[0045]第四、退火，人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12上面，沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作人工磁導(dǎo)體金屬層11 (即第二金屬層)；
[0046]第五、利用光刻的方法,在人工磁導(dǎo)體金屬層11制作人工磁導(dǎo)體的井字形開孔金屬片;
[0047]第六、在人工磁導(dǎo)體金屬層11上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10 ；
[0048]第七、在人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10上面，沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層9 ；
[0049]第八、利用光刻的方法，在頂層金屬層9制作梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號(hào)金屬片6和第二矩形接地金屬片7 ；
[0050]第九、利用絕緣層(上介質(zhì)層10和下介質(zhì)層12)上的金屬過孔將第一矩形接地金屬片8、第二矩形接地金屬片7和集成的地平面金屬片13連接起來，將矩形信號(hào)金屬片6與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
[0051]實(shí)施例3、片上集成天線
[0052]如圖3所示，在頂層金屬層9制作梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號(hào)金屬片6和第二矩形接地金屬片7等金屬片，關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸如下:
[0053]A是梯形輻射金屬片I的長邊尺寸15，對(duì)片上集成天線的帶寬和端口匹配具有較大的影響，本發(fā)明尺寸A取150微米；
[0054]B是梯形輻射金屬片I的高度尺寸16，對(duì)片上集成天線的中心工作頻率、天線帶寬以及回波損耗影響很大，是一個(gè)重要的參數(shù)，需要精密設(shè)計(jì)，本發(fā)明尺寸B取140微米；
[0055]C是梯形輻射金屬片I的短邊尺寸17，對(duì)片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配具有較大影響，可用來調(diào)整天線的中心工作頻率，本發(fā)明尺寸C取100微米；
[0056]D是微帶饋電金屬線5的寬度18，E是微帶饋電金屬線5的長度19，這兩個(gè)尺寸對(duì)片上集成天線的中心工作頻率和天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配關(guān)系很大，本發(fā)明尺寸D取10微米，尺寸E取225微米；
[0057]F是矩形信號(hào)金屬片6與第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7之間的距離，這個(gè)尺寸對(duì)天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配影響很大，在本發(fā)明中尺寸F取40微米；
[0058]G是第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7的一邊的邊長21，H是第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7的另一邊的邊長22，這兩個(gè)尺寸影響天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配參數(shù)，本發(fā)明第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7采用正方形結(jié)構(gòu)，尺寸G和尺寸H取50微米；
[0059]J和K分別是矩形信號(hào)金屬片6的邊長23和邊長24，本發(fā)明矩形信號(hào)金屬片6采用長方形結(jié)構(gòu)，邊長K的尺寸23取40微米，邊長J的尺寸24取20微米。
[0060]實(shí)施例3所述的所有尺寸，通過軟件仿真確定的。
[0061]實(shí)施例4、片上集成天線應(yīng)用
[0062]本發(fā)明提出的一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與驅(qū)動(dòng)電路和收發(fā)器電路集成在Iv芯片上，芯片布局如圖4所不:
[0063]芯片上射頻信號(hào)收發(fā)器電路25、低噪聲放大器26、驅(qū)動(dòng)電路27和梯形單極子片上集成天線28分三個(gè)相對(duì)隔開的區(qū)域單獨(dú)設(shè)計(jì)；
[0064]收發(fā)器電路25的發(fā)送信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)電路27的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路27的輸出端與梯形單極子片上集成天線28中的矩形信號(hào)金屬片6相連，通過天線28實(shí)現(xiàn)信號(hào)輻射；[0065]矩形信號(hào)金屬片6同時(shí)與低噪聲放大器26的輸入端相連，由梯形單極子片上集成天線28接收到的輻射信號(hào)，通過矩形信號(hào)金屬片6送到低噪聲放大器26的輸入端，低噪聲放大器26的輸出端與收發(fā)器電路25的接收信號(hào)輸入端相連,并從低噪聲放大器26的輸出端獲取接收到的信號(hào)；
[0066]在梯形單極子片上集成天線28的設(shè)計(jì)區(qū)域，利用CMOS工藝的第一金屬層，制備地平面金屬片13，利用CMOS工藝的第二金屬層，制備人工磁導(dǎo)體3中的人工磁導(dǎo)體金屬層11，用來減小硅襯底對(duì)射頻信號(hào)的耦合損耗。
【權(quán)利要求】
1.一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于該單極子片上集成天線包括: 梯形輻射金屬片、微帶饋電金屬線、第一矩形接地金屬片、矩形信號(hào)金屬片和第二矩形接地金屬片；梯形輻射金屬片的短邊與微帶饋電金屬線的一端相連，微帶饋電金屬線的另一端與矩形信號(hào)金屬片相連，矩形信號(hào)金屬片作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端和接收信號(hào)的輸出端；整個(gè)單極子片上集成天線使用CMOS工藝的頂層金屬層制作而成，頂層金屬層下面是介質(zhì)基板；所述的第一矩形接地金屬片和第二矩形接地金屬片相對(duì)獨(dú)立，并利用通孔與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，其特征在于所述的介質(zhì)基板由下至上依次包括硅襯底、集成的地平面金屬片、人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層堆疊而成；人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層構(gòu)成人工磁導(dǎo)體；所述集成的地平面金屬片和人工磁導(dǎo)體金屬層之間用人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，其特征在于，所述的單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，其特征在于，所述的梯形輻射金屬片的高度為140微米，長邊為150微米，短邊為100微米；微帶饋電金屬線的長度為225微米，寬度為10微米；第一矩形接地金屬片和第二矩形接地金屬片是邊長為50微米的正方形，矩形信號(hào)金屬片是邊長為40微米的正方形，或邊長為40微米X 20微米的長方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線，其特征在于，所述的60吉赫茲梯`形單極子片上集成天線中心工作頻率在60吉赫茲時(shí)，具有10吉赫茲帶寬。`
6.—種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的制作方法,依次經(jīng)過下述步驟: 第一、在磷娃玻璃工藝基礎(chǔ)上,米用電子束蒸發(fā)或派射的方法，在娃片上沉積一層招、招娃合金或招娃銅合金制作完成CMOS工藝的第一金屬層； 第二、利用CMOS工藝的光刻方法,在第一金屬層制作集成的地平面金屬片； 第三、在第一金屬層上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體的下介質(zhì)層； 第四、退火，在二氧化硅絕緣層上面，沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作第二金屬層，作為人工磁導(dǎo)體金屬層； 第五、通過CMOS工藝的光刻方法,在第二金屬層制作人工磁導(dǎo)體的井字型開孔的金屬片; 第六、在第二金屬層上面，利用化學(xué)氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導(dǎo)體的上介質(zhì)層； 以上步驟形成了所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線介質(zhì)基板； 第七、利用CMOS工藝的頂層金屬工藝，在人工磁導(dǎo)體上面沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層；利用光刻在頂層金屬層制作梯形輻射金屬片、微帶饋電金屬線、第一矩形接地金屬片、矩形信號(hào)金屬片和第二矩形接地金屬片； 第八、利用金屬過孔將第一矩形接地金屬片、第二矩形接地金屬片和地平面金屬片連接起來，將矩形信號(hào)金屬 片與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK103531904SQ201310535712
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】宋芃霖, 耿衛(wèi)東, 劉艷艷, 莊再姣, 張晉, 張?zhí)N千, 曾夕 申請(qǐng)人:南開大學(xué)