[發(fā)明專利]一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實現方法

無效

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• 申請日: 2013-11-01
• 公開（公告）號: CN103531904A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設計）人: 宋芃霖;耿衛(wèi)東;劉艷艷;莊再姣;張晉;張?zhí)N千;曾夕
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/24
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發(fā)明涉及高速無線通信、近場通信，毫米波集成電路和片上天線技術領域，特別涉及一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的結構及其實現方法。

背景技術

無線個人局域網絡（WPANs）、近場通信（NFC）、顯示器無線接口、數字家庭等技術的發(fā)展，使無線通信技術步入高分辨率大容量媒體數據傳輸的時代，特別是毫米波無線通信技術，在移動分布式計算，無線游戲及無線高速傳輸超大文件等領域具有巨大市場前景。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現無線數據的收發(fā)，所需的天線尺寸也相應減小，同時CMOS和BiCMOS技術的發(fā)展使集成電路和系統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)系統的體積，提高收發(fā)系統的可靠性，降低系統成本。

雖然將天線集成在芯片內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上的挑戰(zhàn)，特別是采用CMOS工藝來設計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，金屬材料電導率，硅襯底電阻率低而介電常數高等，這些因素會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。

近年來已提出多種片上集成天線增強方法，如光子帶隙、質子注入提高硅基電阻率、添加介質透鏡、深反應離子刻蝕硅基微加工等，但是都以提高工藝復雜性為代價，不僅增加了制造成本，而且與CMOS工藝不兼容，不易推廣應用。

目前高增益寬帶片上集成天線的設計是一種挑戰(zhàn)，人工磁導體技術的發(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。基于CMOS工藝的片上集成天線的發(fā)展對下一代毫米波無線通信技術的發(fā)展具有重大意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明目的是解決如何改善片上集成天線的輻射性能，特別是調整梯形輻射金屬片短邊尺寸能夠微調天線中心工作頻率的技術問題，以提高片上集成天線與激勵電路的匹配，提供一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實現方法。

本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形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金屬片相連，矩形信號金屬片作為驅動信號輸入端和接收信號的輸出端；所述的第一矩形接地金屬片和第二矩形接地金屬片相對獨立，并利用通孔與頂層金屬層下面的介質基板中集成的地平面金屬片相連。

所述的介質基板由下至上依次包括硅襯底、集成的地平面金屬片、人工磁導體下介質層、人工磁導體金屬層和人工磁導體上介質層堆疊而成；人工磁導體下介質層、人工磁導體金屬層和人工磁導體上介質層構成人工磁導體；所述集成的地平面金屬片和人工磁導體金屬層之間用人工磁導體下介質層隔開。

所述的單極子片上集成天線采用傳統的CMOS工藝實現。

所述的梯形輻射金屬片采用平面梯形形狀，其短邊的尺寸根據片上集成天線的中心工作頻率和與激勵電路的匹配參數來確定。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，矩形信號金屬片是邊長為40微米的正方形，或邊長為40微米×20微米的長方形。

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，具有10吉赫茲帶寬。

所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線采用傳統的CMOS工藝實現。

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。

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，依次經過下述步驟：

第一、在磷硅玻璃工藝基礎上，采用電子束蒸發(fā)或濺射的方法，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；

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，利用化學氣相沉積方法，制作二氧化硅絕緣層，作為人工磁導體的下介質層；

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體的井字型開孔金屬片；