一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60GHz片上天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60GHz片上天線。本實(shí)用新型包括由下到上的硅襯底層、SiO2層、SiN層，其特征在于：SiO2層包含六層金屬層，從下到上依次為M1～M6層，三角形單極子天線位于SiO2層的M6金屬層，周期加載的基于CMOS工藝的正六邊形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于SiO2層的M1金屬層，三角形單極子天線采用50Ω共面波導(dǎo)饋電。本實(shí)用新型能夠滿足60GHz時(shí)對(duì)垂直入射波反射相位為零，并且反射相位帶隙完全覆蓋60GHz附近的約7GHz（57～64GHz）免許可頻段，同時(shí)可以有效的提高片上天線的增益和輻射效率等。
【專利說(shuō)明】—種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60GHz片上天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于天線技術(shù)與無(wú)線通信領(lǐng)域，涉及一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60GHz片上天線。
【背景技術(shù)】
[0002]人工磁導(dǎo)體即AMC (Artificial Magnetic Conductor)結(jié)構(gòu)，是超材料的一種，具有理想磁導(dǎo)體的相似屬性，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)某一頻點(diǎn)對(duì)垂直入射平面波的同相位反射特性。
[0003]基于CMOS工藝的60 GHz片上天線，由于CMOS工藝低成本和便于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)以及60 GHz頻譜的諸多優(yōu)勢(shì)，逐漸成為短距離無(wú)線通信的研究熱點(diǎn)。CMOS工藝以硅為襯底，硅低的電阻率(10 Ω.cm)和低的電子遷移率特性很大程度上損耗了天線的電磁能量，導(dǎo)致天線的增益和輻射效率較低，無(wú)法滿足短距離無(wú)線通信的技術(shù)指標(biāo)要求。
[0004]為了減小CMOS工藝硅襯底對(duì)片上天線性能的影響，AMC結(jié)構(gòu)成為一種較好的選擇。將片上天線設(shè)計(jì)在CMOS工藝結(jié)構(gòu)SiO2層的M6金屬層，將AMC結(jié)構(gòu)周期加載于片上天線和硅襯底層之間的Ml金屬層。通過(guò)AMC結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直入射平面波的同相位反射特性，從而將更多的電磁能量輻射向自由空間，提高片上天線的增益和輻射效率等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60 GHz片上天線。本實(shí)用新型基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 0.18um工藝采用正六邊形AMC結(jié)構(gòu)周期加載于三角形單極子天線和娃襯底層之間，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導(dǎo)(CPW, Coplanar waveguide)饋電。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型包括由下到上的硅襯底層、SiO2層、SiN層，其特征在于:3102層包含六層金屬層，從下到上依次為Ml?M6層，三角形單極子天線位于SiO2層的M6金屬層，周期加載的基于CMOS工藝的正六邊形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于SiO2層的Ml金屬層，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導(dǎo)饋電。
[0008]本實(shí)用新型具有的有益效果是:
[0009]本實(shí)用新型中的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)，能夠滿足60 GHz時(shí)對(duì)垂直入射波反射相位為零，并且反射相位帶隙完全覆蓋60 GHz附近的約7 GHz (57?64 GHz)免許可頻段，同時(shí)可以有效的提高片上天線的增益和輻射效率等。當(dāng)周期加載3X6 AMC結(jié)構(gòu)時(shí)，片上天線回波損耗小于-10 dB的帶寬為(53.6?70 GHz), 60 GHz時(shí)最大增益為-1.2 dB，輻射效率為29.2%。并且當(dāng)增加電流流動(dòng)方向的AMC單元個(gè)數(shù)(3X6，3X7，3X8)，天線的最大增益和輻射效率都大幅提高，當(dāng)增加垂直于電流流動(dòng)方向的AMC單元個(gè)數(shù)(3X6，4X6，5X6)，天線的最大增益和輻射效率變化緩慢。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]附圖1為基于CMOS工藝的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元3D圖；
[0011]附圖2為多個(gè)正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元俯視圖；
[0012]附圖3為正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元反射相位圖；
[0013]附圖4為基于CMOS工藝采用3X6周期加載正六邊形AMC結(jié)構(gòu)的片上天線3D結(jié)構(gòu)圖；
[0014]附圖5為周期加載不同排列AMC結(jié)構(gòu)的片上天線回波損耗；
[0015]附圖6為周期加載不同排列AMC結(jié)構(gòu)的片上天線輸入阻抗。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]圖1為基于CMOS工藝的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元3D圖，通過(guò)采用分析周期加載結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)傳輸法和三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS的仿真設(shè)計(jì)，可以等效為利用垂直入射平面波激勵(lì)一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元。通過(guò)改變正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元邊長(zhǎng)a和單元間縫隙寬度g，可以得到圖3所示的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元反射相位圖,此時(shí)a=107 um, g=45 um,反射相位為±90°對(duì)應(yīng)的頻率分別為52.3 GHz和67.8 GHz，反射相位帶隙完全覆蓋60 GHz附近的約7 GHz (57?64 GHz)免許可頻段。圖2為多個(gè)正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元組合的俯視圖，其中a為正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元的邊長(zhǎng)，g為正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元間縫隙寬度，u為相鄰兩個(gè)AMC結(jié)構(gòu)單元中心距離。
[0018]基于CMOS工藝采用3 X 6周期加載正六邊形AMC結(jié)構(gòu)的片上天線3D結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，三角形單極子天線位于SiO2層的M6金屬層,周期加載的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)位于SiO2層的Ml金屬層，天線采用共面波導(dǎo)饋電。為了研究不同排列的AMC結(jié)構(gòu)單元對(duì)片上天線的影響，分別周期加載3 X 6，4 X 6，5 X 6，3 X 7，3 X 8排列AMC結(jié)構(gòu)單元分析片上天線的性能。其回波損耗、輸入阻抗、最大增益和輻射效率分別如圖5、圖6、圖7和圖8所示。圖5中周期加載不同排列AMC結(jié)構(gòu)單元，片上天線的回波損耗小于-10 dB對(duì)應(yīng)的帶寬均完全覆蓋60 GHz附近的約7 GHz (57?64 GHz)免許可頻段。圖6中片上天線的輸入阻抗分別為:Ζ3Χ6=51.06-j*0.34 Ω，Z4X6=50.5_j*0.68 Ω，Ζ5Χ6=49.67_j*0.14 Ω，Ζ3Χ7=49.7卜j*2.57，Z3X8=S0.17
[0019]-_]_*0.40，與50 0共面波導(dǎo)基本匹配，從而保證了電磁能力能有效的傳輸?shù)教炀€，并經(jīng)天線輻射向自由空間。由圖7和圖8可以得到，當(dāng)增加電流方向的AMC單元個(gè)數(shù)(3X6，3X7，3X8)，天線的增益和輻射效率都大幅提高；當(dāng)增加垂直于電流方向的AMC單元個(gè)數(shù)(3X6，4X6，5X6)，天線的增益和輻射效率變化緩慢。
[0020]本實(shí)用新型中的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括:
[0021](I)尺寸小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖2，正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元的最終設(shè)計(jì)尺寸為a=107um, g=45 um。
[0022](2)成本低廉、加工方便。所設(shè)計(jì)的AMC結(jié)構(gòu)加載于采用CMOS工藝的片上天線設(shè)計(jì)中，CMOS工藝制造成本低且便于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0023](3)較好的同相位反射特性?？梢詫?shí)現(xiàn)60 GHz反射相位為0，并且反射相位帶隙完全覆蓋60 GHz附近的約7 GHz (57?64 GHz)免許可頻段。在60 GHz短距離無(wú)線通信中有較好的應(yīng)用前景。
[0024](4)不同周期加載AMC結(jié)構(gòu)對(duì)片上天線性能影響有規(guī)律可循?？梢酝ㄟ^(guò)天線的設(shè)計(jì)參數(shù)和空間要求，有目的性的選擇相應(yīng)周期加載AMC結(jié)構(gòu)，提高仿真設(shè)計(jì)的效率。
[0025]本實(shí)用新型陳述了一種基于CMOS工藝應(yīng)用于60 GHz片上天線的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地使用正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)周期加載滿足60 GHz反射相位為0，并有效的提高了片上天線的增益和輻射效率，同時(shí)通過(guò)不同周期加載AMC結(jié)構(gòu)對(duì)片上天線性能影響具有一定規(guī)律。綜上所述，設(shè)計(jì)出的正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元，不僅可應(yīng)用在基于CMOS工藝的60 GHz片上天線的設(shè)計(jì)中，解決傳統(tǒng)工藝價(jià)格昂貴難以普及的缺點(diǎn)，同時(shí)降低了 CMOS工藝中硅襯底低的電阻率(10 Ω.cm)和低的電子遷移率特性對(duì)片上天線性能的影響，因此有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。
【權(quán)利要求】
1.一種基于人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60 GHz片上天線，包括由下到上的硅襯底層、SiO2層、SiN層，其特征在于=SiO2層包含六層金屬層，從下到上依次為Ml?M6層，三角形單極子天線位于SiO2層的M6金屬層，周期加載的基于CMOS工藝的正六邊形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于SiO2層的Ml金屬層，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導(dǎo)饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的60GHz片上天線，其特征在于:相鄰正六邊形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的距離為45 um，每個(gè)正六邊形AMC結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為107 um。
【文檔編號(hào)】H01Q1/22GK203774448SQ201420140339
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】項(xiàng)鐵銘, 馬曉洋, 王龍龍, 陳偉 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)