[發明專利]基于人工磁導體結構的60GHz片上天線

無效

• 申請號: 201410116202.2
• 申請日: 2014-03-26
• 公開（公告）號: CN104037489A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 項鐵銘;馬曉洋;王龍龍;陳偉
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/22
• 分類號: H01Q1/22;H01Q19/10;H01Q15/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于天線技術與無線通信領域，涉及一種基于人工磁導體結構的60?GHz片上天線。?

背景技術

人工磁導體即AMC（Artificial?Magnetic?Conductor）結構，是超材料的一種，具有理想磁導體的相似屬性，通過合理的設計可以實現某一頻點對垂直入射平面波的同相位反射特性。?

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模生產的優點以及60?GHz頻譜的諸多優勢，逐漸成為短距離無線通信的研究熱點。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，導致天線的增益和輻射效率較低，無法滿足短距離無線通信的技術指標要求。?

為了減小CMOS工藝硅襯底對片上天線性能的影響，?AMC結構成為一種較好的選擇。將片上天線設計在CMOS工藝結構SiO₂層的M6金屬層，將AMC結構周期加載于片上天線和硅襯底層之間的M1金屬層。通過AMC結構的合理設計可以實現對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。?

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種基基于人工磁導體結構的60?GHz片上天線。本發明基于標準CMOS?0.18um工藝采用正六邊形AMC結構周期加載于三角形單極子天線和硅襯底層之間，三角形單極子天線采用50Ω共面波導（CPW，Coplanar?wave?guide）饋電。?

本發明采用的技術方案是：?

本發明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體結構位于SiO₂層的M1金屬層，三角形單極子天線采用50Ω共面波導饋電。

本發明具有的有益效果是：?

本發明中的正六邊形AMC結構，能夠滿足60?GHz時對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，同時可以有效的提高片上天線的增益和輻射效率等。當周期加載3×6?AMC結構時，片上天線回波損耗小于-10?dB的帶寬為（53.6～70?GHz），60?GHz時最大增益為-1.2?dB，輻射效率為29.2%。并且當增加電流流動方向的AMC單元個數（3×6,?3×7,?3×8），天線的最大增益和輻射效率都大幅提高，當增加垂直于電流流動方向的AMC單元個數（3×6,?4×6,?5×6），天線的最大增益和輻射效率變化緩慢。

附圖說明

附圖1為基于CMOS工藝的正六邊形AMC結構單元3D圖；?

附圖2為多個正六邊形AMC結構單元俯視圖；

附圖3為正六邊形AMC結構單元反射相位圖；

附圖4為基于CMOS工藝采用3×6周期加載正六邊形AMC結構的片上天線3D結構圖；

附圖5為周期加載不同排列AMC結構的片上天線回波損耗；

附圖6為周期加載不同排列AMC結構的片上天線輸入阻抗。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步說明。?

圖1為基于CMOS工藝的正六邊形AMC結構單元3D圖，通過采用分析周期加載結構的波導傳輸法和三維電磁仿真軟件Ansoft?HFSS的仿真設計，可以等效為利用垂直入射平面波激勵一個周期性結構單元。通過改變正六邊形AMC結構單元邊長a和單元間縫隙寬度g，可以得到圖3所示的正六邊形AMC結構單元反射相位圖，此時a=107?um，g=45?um，反射相位為±90^o對應的頻率分別為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為多個正六邊形AMC結構單元組合的俯視圖，其中a為正六邊形AMC結構單元的邊長，g為正六邊形AMC結構單元間縫隙寬度，u為相鄰兩個AMC結構單元中心距離。?