本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅工藝的片上天線。

背景技術(shù)：

毫米波電路多采用GaAs或InP基工藝，由于GaAs和InP這些材料有較高的電子遷移率和電阻率，因此電路可以獲得良好的RF性能，但是缺點(diǎn)是這些工藝的成本較高。硅(Si)基CMOS工藝具有成本低、功耗低以及能夠較容易與基帶IC模塊的制造工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。在制造的電路上，雖然CMOS工與GaAs工藝相比在高頻性能和噪聲性能方面藝并不具備優(yōu)勢(shì)，然而，隨著深亞微米與納米工藝的日漸成熟，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)毫米波CMOS電路也許成為可能。

隨著硅工藝的進(jìn)步，系統(tǒng)單芯片(SoC)技術(shù)得到了科研人員的關(guān)注。這種方法可以很好地將數(shù)字基帶模塊與射頻前端模塊集成，緩解了不同技術(shù)之間互連的壓力。同時(shí)，這種方法還推動(dòng)了例如毫米波段的高頻電路的發(fā)展，將天線尺寸降低到幾平方毫米，使天線的片上集成成為了現(xiàn)實(shí)，并且成為一種趨勢(shì)。但是，現(xiàn)在片上天線的發(fā)展仍然存在一些挑戰(zhàn)：低阻抗硅基底導(dǎo)致的天線電流損耗大、增益小、片上集成導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)限制等等?？朔@些困難才能使基于SoC(System-on-Chip)的射頻前端解決方案成為可能。

現(xiàn)在的半導(dǎo)體技術(shù)盡管是很好的電路設(shè)計(jì)工藝，卻并不適合片上天線。因?yàn)榘雽?dǎo)體基片通常都是低阻抗，在電磁波的環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生電流損耗。通常典型的硅基CMOS金屬堆棧是分6-9層層疊在二氧化硅中，金屬層總厚度大約有15μm，頂層最厚，有3μm-4μm，用于置放電感。下面是500μm-600μm厚的硅基。絕緣的二氧化硅對(duì)天線輻射與硅基有隔離作用，但是十幾微米的厚度并不能造成很好的改善。天線會(huì)偏向低阻的通道輻射，導(dǎo)致輻射效率和增 益的大幅降低；另外，高介電常數(shù)的硅基會(huì)對(duì)天線的輻射產(chǎn)生很大的束縛，現(xiàn)有技術(shù)存在一個(gè)偶極子天線如果放置在硅基板上，只有3％能量輻射到外部，剩下都以熱的形式損耗掉或者束縛在硅基中由于硅的低阻抗而以電流的形式消耗了。另外，高介電常數(shù)的厚基板會(huì)產(chǎn)生表面波，影響片上天線的輻射。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于硅工藝的片上天線，解決低阻抗硅基底若應(yīng)用到片上天線將導(dǎo)致的天線損耗大、輻射率低、增益小、片上集成導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)限制的問(wèn)題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

一種基于硅工藝的片上天線，包括介質(zhì)諧振塊、金屬貼片、二氧化硅層、金屬地和硅基底層，所述金屬地覆蓋在硅基底層上，二氧化硅層覆蓋在金屬地上，二氧化硅層上表面上設(shè)有金屬貼片，所述金屬貼片的末段是圓形金屬片，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在所述二氧化硅層的上方且覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明基于硅工藝的片上天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)只通過(guò)金屬地、金屬貼片、介質(zhì)諧振塊和硅工藝就能實(shí)現(xiàn)片上天線的功能；輻射方向是從金屬地向圓形金屬片方向，有微弱輻射，增益低，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在所述二氧化硅層的上方且覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積，經(jīng)過(guò)與介質(zhì)諧振塊的耦合，增大片上天線的品質(zhì)因數(shù)，產(chǎn)生高增益的輻射，激勵(lì)起側(cè)射同時(shí)激勵(lì)起端射，豐富片上天線的輻射方式，解決了原有硅工藝由于低阻硅基底存在增益低、損耗大和輻射效率低的問(wèn)題而無(wú)法應(yīng)用到片上天線的難題。

進(jìn)一步的，所述金屬貼片前段是短帶狀金屬片，中段是長(zhǎng)帶狀金屬片，短帶狀金屬片和長(zhǎng)帶狀金屬片在長(zhǎng)度方向上的中心線與圓形金屬片的其中 一條直徑在同一條直線上。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：天線能量由金屬貼片的前段饋入，經(jīng)過(guò)中段，進(jìn)入末端，再通過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合，產(chǎn)生高增益輻射，產(chǎn)生側(cè)射同時(shí)產(chǎn)生端射，豐富片上天線的輻射方式。

進(jìn)一步的，所述二氧化硅層是長(zhǎng)方形層狀結(jié)構(gòu)，所述金屬貼片前段、中段與所述二氧化硅層的長(zhǎng)度方向平行，且所述金屬貼片前段靠近所述二氧化硅層的其中一條寬邊邊緣。

進(jìn)一步的，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在遠(yuǎn)離所述金屬貼片的前段，且靠近所述二氧化硅層的另一條寬邊邊緣的位置。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：經(jīng)過(guò)金屬貼片傳來(lái)的增益低、微弱的輻射，由于金屬貼片與介質(zhì)諧振塊的位置關(guān)系，通過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合，產(chǎn)生高增益的輻射，產(chǎn)生側(cè)射同時(shí)產(chǎn)生端射，豐富片上天線的輻射方式。

進(jìn)一步的，還包括鈍化層，所述鈍化層覆蓋所述金屬貼片，及金屬貼片未覆蓋的二氧化硅層的上表面。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：所述鈍化層對(duì)金屬貼片和裸露的二氧化硅的上表面進(jìn)行保護(hù)，防止被外界環(huán)境破壞影響一種基于硅工藝的片上天線的使用。

進(jìn)一步的，所述介質(zhì)諧振塊是長(zhǎng)方體形，所述介質(zhì)諧振塊的長(zhǎng)方體形底面覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：介質(zhì)諧振塊是很好的輻射體，且尺寸小，易于與其他有源或無(wú)源器件集成，可實(shí)現(xiàn)小型化高增益的設(shè)計(jì)，為片上集成的結(jié)構(gòu)提供可能。

進(jìn)一步的，所述介質(zhì)諧振塊的高度大于半個(gè)介質(zhì)諧振塊的波長(zhǎng)。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：所述介質(zhì)諧振塊與所述金屬貼片配合能夠產(chǎn)生端射，豐富了片上天線的輻射方式。

進(jìn)一步的，所述金屬地是不良的輻射體。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：輻射方向是從金屬地向圓形金屬片方向，再經(jīng)過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合產(chǎn)生高增益的輻射，且形式多樣的輻射，片上天線要求的強(qiáng)輻射已經(jīng)產(chǎn)生，正是由于金屬地是不良的輻射體，可以限制已經(jīng)產(chǎn)生的強(qiáng)輻射射向硅基底層一側(cè)，如此可以緩解低阻硅基底層造成的損耗、輻射低、增益小問(wèn)題，解決了原有硅工藝由于低阻硅基底存在增益低、損耗大和輻射效率低的問(wèn)題而無(wú)法應(yīng)用到片上天線的難題。

進(jìn)一步的，所述介質(zhì)諧振塊由陶瓷材料制成，屬于絕緣體。

進(jìn)一步的，所述金屬貼片和金屬地組成微帶天線。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：介質(zhì)諧振塊與微帶天線的體積小，且微帶天線與標(biāo)準(zhǔn)的硅基底半導(dǎo)體工藝中的金屬層的型式十分相似，使得片上天線成為可能，微帶天線與介質(zhì)諧振塊糅合到半導(dǎo)體中，既提高了增益和輻射率，又緩解了低阻硅基底造成的損耗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于硅工藝的片上天線的橫截面示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于硅工藝的片上天線俯視圖的示意圖；

附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：

1、介質(zhì)諧振塊，2、鈍化層，3、金屬貼片，4、二氧化硅層，5、金屬地，6、硅基底層,7、短帶狀金屬片，8、長(zhǎng)帶狀金屬片，9、圓形金屬片。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種基于硅工藝的片上天線，包括介質(zhì)諧振塊、金屬貼片、二氧化硅層、金屬地和硅基底層，所述金屬地覆蓋在硅基底層上，二氧化硅層覆蓋在金屬地上，二氧化硅層上表面上設(shè)有金屬貼片，如圖2所示，所述 金屬貼片的末段是圓形金屬片，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在所述二氧化硅層的上方且覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積。

金屬貼片包括短帶狀金屬片、長(zhǎng)帶狀金屬片、圓形金屬片，金屬貼片和金屬地組成微帶天線。

本發(fā)明基于硅工藝的片上天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)只通過(guò)金屬地、金屬貼片、介質(zhì)諧振塊和低阻硅工藝就能實(shí)現(xiàn)片上天線的功能；輻射方向是從金屬地向圓形金屬片方向，有微弱輻射，增益低，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在所述二氧化硅層的上方且覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積，經(jīng)過(guò)與介質(zhì)諧振塊的耦合，增大片上天線的品質(zhì)因數(shù)，改善增益，提高輻射效率，激勵(lì)起側(cè)射同時(shí)激勵(lì)起端射，豐富片上天線的輻射方式，解決了原有硅工藝由于低阻硅基底存在增益低、損耗大和輻射效率低的問(wèn)題而無(wú)法應(yīng)用到片上天線的難題。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述金屬貼片前段是短帶狀金屬片，中段是長(zhǎng)帶狀金屬片，短帶狀金屬片和長(zhǎng)帶狀金屬片在長(zhǎng)度方向上的中心線與圓形金屬片的其中一條直徑在同一條直線上。

天線能量由金屬貼片的前段饋入，經(jīng)過(guò)中段，進(jìn)入末端，再通過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合，增大片上天線的品質(zhì)因數(shù)，改善增益，提高輻射效率，產(chǎn)生側(cè)射同時(shí)產(chǎn)生端射，豐富片上天線的輻射方式。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述二氧化硅層是長(zhǎng)方形層狀結(jié)構(gòu)，所述金屬貼片前段、中段與所述二氧化硅層的長(zhǎng)度方向平行，且所述金屬貼片前段靠近所述二氧化硅層的其中一條寬邊邊緣。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述介質(zhì)諧振塊設(shè)置在遠(yuǎn)離所述金屬貼片的前段，且靠近所述二氧化硅層的另一條寬邊邊緣的位置。經(jīng)過(guò)金屬貼片傳來(lái)的增益低、微弱的輻射，由于金屬貼片與介質(zhì)諧振塊的位置關(guān)系，通過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合，增大片上天線的品質(zhì)因數(shù)，改善增益，提高輻射效率，產(chǎn)生側(cè)射同 時(shí)產(chǎn)生端射，豐富片上天線的輻射方式。

本發(fā)明實(shí)施例中，還包括鈍化層，所述鈍化層覆蓋所述金屬貼片，及金屬貼片未覆蓋的二氧化硅層的上表面。最上層的防氧化鈍化層的厚度，在已知的范圍內(nèi)對(duì)天線的影響很小，可以忽略不計(jì)。

所述鈍化層對(duì)金屬貼片和裸露的二氧化硅的上表面進(jìn)行保護(hù)，防止氧化,防止被外界環(huán)境破壞影響一種基于硅工藝的片上天線的使用。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述介質(zhì)諧振塊是長(zhǎng)方體形，所述介質(zhì)諧振塊的長(zhǎng)方體形底面覆蓋所述圓形金屬片至少三分之二面積。介質(zhì)諧振塊是很好的輻射體，具有高的品質(zhì)因數(shù)、低的導(dǎo)電損耗、高的輻射效率、小尺寸，易于與其他有源或無(wú)源器件集成，可實(shí)現(xiàn)小型化高增益的設(shè)計(jì)，為片上集成的結(jié)構(gòu)提供可能。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述介質(zhì)諧振塊的高度大于半個(gè)介質(zhì)諧振塊的波長(zhǎng),由于介質(zhì)諧振器表面可以近似為磁壁，介質(zhì)諧振塊高度大于半個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)可以使得介質(zhì)諧振塊產(chǎn)生類(lèi)半波磁偶極子輻射，在端射方向產(chǎn)生較高增益。再通過(guò)微調(diào)介質(zhì)諧振塊的高度和位置，可以在天線工作頻段內(nèi)產(chǎn)生端射，豐富了片上天線的輻射方式。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述金屬地是不良的輻射體。輻射方向是從金屬地向圓形金屬片方向，再經(jīng)過(guò)介質(zhì)諧振塊的耦合增大了片上天線的品質(zhì)因數(shù)，改善增益，提高輻射效率，且形式多樣的輻射，片上天線要求的強(qiáng)輻射已經(jīng)產(chǎn)生，正是由于金屬地是不良的輻射體，可以限制已經(jīng)產(chǎn)生的強(qiáng)輻射射向硅基底層一側(cè)，如此可以緩解低阻硅基底層造成的損耗、輻射低、增益小問(wèn)題，解決了原有硅工藝由于低阻硅基底存在增益低、損耗大和輻射效率低的問(wèn)題而無(wú)法應(yīng)用到片上天線的難題。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述介質(zhì)諧振塊由陶瓷材料制成，屬于絕緣體。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述金屬貼片和金屬地組成微帶天線。

微帶天線擁有型式簡(jiǎn)潔、體積小(片上集成可能性高)、重量輕、低剖面、易集成等優(yōu)點(diǎn)，微帶天線與標(biāo)準(zhǔn)的硅基底半導(dǎo)體工藝中的金屬層的型式十分相似，使得微帶天線與硅基底半導(dǎo)體工藝連接成為可能，而且有利于降低加工、設(shè)計(jì)和集成成本。

介質(zhì)諧振塊與微帶天線的體積小，使得片上天線成為可能，微帶天線與介質(zhì)諧振塊糅合到半導(dǎo)體中，既提高了增益和輻射率，又緩解了低阻硅基底造成的損耗。

微帶天線中的金屬地是不良的輻射體，可以限制電磁輻射向硅基底層一側(cè)輻射，如此可以緩解低阻硅基底造成的損耗、輻射低、增益小。利用介質(zhì)諧振塊具有高的品質(zhì)因數(shù)、低的導(dǎo)電損耗、高的輻射效率、小尺寸優(yōu)質(zhì)特性，與金屬貼片中的圓形金屬片產(chǎn)生耦合，提高本發(fā)明的輻射效率和增益。介質(zhì)諧振塊與微帶天線的體積小，且微帶天線與標(biāo)準(zhǔn)的硅基底半導(dǎo)體工藝中的金屬層的型式十分相似，使得片上天線成為可能，微帶天線與介質(zhì)諧振塊糅合到半導(dǎo)體中，既提高了增益和輻射率，又緩解了低阻硅基底造成的損耗。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。