一種太赫茲波背腔式片載天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種太赫茲波背腔式片載天線，包括依次重疊設置的底層金屬層、介質層、頂層金屬層，所述頂層金屬層上開設有一區域用于設置呈矩形狀且其上帶有縫隙的縫隙加載輻射貼片，在頂層金屬層上通過走線形成的金屬條的一端與縫隙加載輻射貼片垂直連接進而形成CPW饋電端，在頂層金屬層外的CPW饋電端下方的底層金屬層上開設矩形縫隙構成電磁帶隙匹配網絡，底層金屬層與頂層金屬層通過金屬過孔連接形成一U形狀的SIW諧振背腔。本發明的天線結構，使天線結構緊湊，增加天線增益，提高天線輻射效率，增加天線的阻抗帶寬，滿足在太赫茲波成像、太赫茲無損探測以及太赫茲通信等領域的應用要求，且與主流CMOS工藝全面兼容，適用于各種電阻率的硅基片。
【專利說明】一種太赫茲波背腔式片載天線
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子學、毫米波、太赫茲(100GHz"10THz)【技術領域】,涉及一種片載天線，具體地講，是涉及一種太赫茲波背腔式片載天線。
【背景技術】
[0002]近年來，太赫茲波的研究在世界范圍內受到了極大的關注，開發電磁波譜中最后一個尚未得到廣泛應用的波段的技術變得越來越重要。同時，隨著集成電路的發展，把太赫茲收發組件集成在微小的芯片上面成為了現實。
[0003]天線，作為接收端的第一個元件和發射端的最后一個元件，都必須與電路相連接，因此為了保證最大功率傳輸，阻抗匹配是必不可少的環節。此外，由于天線是常規PCB上實現，金絲鍵合用于將它們連接到集成電路，可以極大地影響匹配，尤其是在太赫茲這么高的頻段，因為這些鍵合線通常具有不確定性，不能保證可重復性。相比之下，片載天線可以與前級電路一次集成，緩解了上述問題。作為IC元件的阻抗(例如接收端的低噪聲放大器和發射端的功率放大器)不需要匹配到50Ω。而且，協同設計的天線和電路可以確保其復雜的阻抗共軛的匹配網絡，而不需要相互匹配。使用共軛匹配，兩個阻抗的虛部的幅度相等但符號相反，從而節省了額外的匹配網絡，節約了空間和成本，并簡化設計工作。同時，集成電路芯片到天線的饋電點通過金屬走線直接相連也消除了用金絲鍵合帶來的不確定性。
[0004]然而，在現有的半導體工藝中，襯底一般具有較低的電阻率(通常ΙΟΩcm)，天線向空間輻射的能量更多的通過襯底的低電阻路徑，從而導致增益下降。同時，襯底通常還具有高介電常數(εr=11.9)，導致天線的輻射功率被限制在襯底里邊，而不是被輻射到自由空間，進一步降低了輻射效率。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種太赫茲波背腔式片載天線，解決現有技術中片載天線尺寸大、天線效率和增益低、天線輻射受襯底影響大的問題。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
一種太赫茲波背腔式片載天線，包括依次重疊設置的底層金屬層、介質層、頂層金屬層，所述頂層金屬層上開設有一區域用于設置呈矩形狀且其上帶有縫隙的縫隙加載輻射貼片，在頂層金屬層上通過走線形成的金屬條的一端與縫隙加載輻射貼片垂直連接進而形成CPW饋電端，其另一端延伸至頂層金屬層外，在頂層金屬層外的CPW饋電端下方的底層金屬層上開設矩形縫隙構成電磁帶隙匹配網絡，底層金屬層與頂層金屬層通過金屬過孔連接形成一 U形狀的SIW諧振背腔，該U形的開口端朝向CPW饋電端，縫隙加載輻射貼片該U形的開口內。其中，CPW指共面波導，SIW指基片集成波導。所述縫隙加載輻射貼片、CPW饋電端與頂層金屬層之間均存在間隙。
[0007]其中，所述縫隙加載輻射貼片的矩形狀和SIW諧振背腔的U形狀均以該U形狀的對稱軸線呈軸對稱。[0008]具體來講，所述縫隙加載輻射貼片的長度約為λ /4，寬度約為3 λ /4，其中λ為天線在芯片內的工作波長。
[0009]并且，所述SIW諧振背腔的寬度為2 λ /5^3 λ /5，長度方向上與縫隙加載輻射貼片的距離約為λ/4，其中λ為天線在芯片內的工作波長。
[0010]作為優選，所述SIW諧振背腔的寬度約為λ /2。
[0011]作為優選,所述介質層由SiO2材料制成。
[0012]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明設計巧妙，不僅具有結構簡單緊湊、尺寸小、高效率、高增益的優點，而且增加了天線的阻抗帶寬，滿足在太赫茲波成像、太赫茲無損探測以及太赫茲通信等領域的應用要求，具有突出的實質性特點和顯著的進步。并且，本發明與主流CMOS工藝全面兼容，適用于各種電阻率的硅基片，且不需要額外的阻抗匹配部件，具有廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的結構示意圖。
[0014]圖2為本發明-實施例的回波損耗圖。
[0015]圖3為本發明-實施例的方向圖。
[0016]上述附圖中，附圖標記對應的部件名稱如下:
1-CPW饋電端，2-電磁帶隙匹配網絡，3-縫隙加載輻射貼片，4-縫隙，5-SIW諧振背腔，
6-底層金屬層，7-頂層金屬層。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。
實施例
[0018]如圖1示，該太赫茲波背腔式片載天線，包括由依次重疊設置的底層金屬層6、介質層、頂層金屬層7構成的天線本體，在該本體上設置的CPW饋電端1、電磁帶隙匹配網絡
2、帶有縫隙4的縫隙加載輻射貼片3、SIff諧振背腔5五大部分。具體來講:
在頂層金屬層上開設相應地區域，用于設置呈金屬條狀的CPW饋電端I和呈矩形狀的縫隙加載輻射貼片3，CPW饋電端一端與縫隙加載輻射貼片的一側邊中部垂直連接，另一端延伸至頂層金屬層外，相應地，底層金屬層在該端位置也略大于頂層金屬層。縫隙加載輻射貼片在該區域內構成天線口徑，并且和CPW饋電端共同與頂層金屬層之間存在間隙。
[0019]頂層金屬層和底層金屬層通過金屬過孔連接形成一諧振腔體，即為SIW諧振背腔5，該SIW諧振背腔呈一 U形狀，U形的開口朝向CPW饋電端1，并將縫隙加載輻射貼片3及其所在區域容納在該U形的開口內。本實施例中U形的兩側邊緣緊靠上述間隙。
[0020]底層金屬層為金屬地，在CPW饋電端I的正下方的位置鏤空一個矩形形成缺陷地，即為電磁帶隙匹配網絡2，其大小可以改變天線的輸入阻抗，以便與前級電路進行匹配。
[0021]其中，縫隙加載輻射貼片的長度約為λ/4，寬度約為3λ/4，SIW諧振背腔的寬度約為λ/2，長度方向上與縫隙加載輻射貼片的距離約為λ/4，該λ為天線在芯片內的工作波長。
[0022]以340GHz作為工作頻率，選用七層金屬的0.13umBiCM0S工藝，制成頂層金屬層的厚度為3um,底層金屬層的厚度為0.4um,介質層優選為SiO2,其厚度為llum。所用芯片的襯底選用硅介質，相對介電常數為11.9，電阻率為ΙΟΩπι。
[0023]相應地，縫隙加載輻射貼片的長度為18(T220um，寬度為30(T400um ；SIff諧振背腔的寬度為40(T500um，長度方向上與縫隙加載輻射貼片的距離為15(T250um。
[0024]如圖2和圖3所示，該天線的帶寬范圍為335GHz_348GHz，增益為3.5dB，不僅具有結構簡單緊湊、尺寸小、高效率、高增益的優點，而且增加了天線的阻抗帶寬，完全滿足了在太赫茲波成像、太赫茲無損探測以及太赫茲通信等領域的應用要求。
[0025]按照上述實施例，便可很好地實現本發明。值得說明的是，基于上述結構設計的前提下，為解決同樣的技術問題，即使在本發明上做出的一些無實質性的改動或潤色，所采用的技術方案的實質仍然與本發明一致的，也應當在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種太赫茲波背腔式片載天線，包括依次重疊設置的底層金屬層(6)、介質層、頂層金屬層(7)，其特征在于，所述頂層金屬層上開設有一區域用于設置呈矩形狀且其上帶有縫隙(4)的縫隙加載輻射貼片(3)，在頂層金屬層上通過走線形成的金屬條的一端與縫隙加載輻射貼片垂直連接進而形成CPW饋電端(I )，其另一端延伸至頂層金屬層外，在頂層金屬層外的CPW饋電端下方的底層金屬層上開設矩形縫隙構成電磁帶隙匹配網絡(2)，底層金屬層與頂層金屬層通過金屬過孔連接形成一 U形狀的SIW諧振背腔(5)，該U形的開口端朝向CPW饋電端，縫隙加載輻射貼片該U形的開口內。
2.根據權利要求1所述的一種太赫茲波背腔式片載天線，其特征在于，所述縫隙加載輻射貼片的矩形狀和SIW諧振背腔的U形狀均以該U形狀的對稱軸線呈軸對稱。
3.根據權利要求1所述的一種太赫茲波背腔式片載天線，其特征在于，所述縫隙加載輻射貼片(3)的長度為λ/4，寬度為3 λ/4，其中λ為天線在芯片內的工作波長。
4.根據權利要求1所述的一種太赫茲波背腔式片載天線，其特征在于，所述SIW諧振背腔的寬度為2 λ/5~3 λ/5，長度方向上與縫隙加載輻射貼片的距離為λ/4，其中λ為天線在芯片內的工作波長。
5.根據權利要求4所述的一種太赫茲波背腔式片載天線，其特征在于，所述SIW諧振背腔的寬度為λ/2。
6.根據權利要求1-5任一項所述的一種太赫茲波背腔式片載天線，其特征在于，所述介質層由SiO2材料制成。
【文檔編號】H01Q9/04GK103762420SQ201410063908
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】鄧小東, 熊永忠 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所