一種基于人工磁導體結構的60GHz片上天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于人工磁導體結構的60GHz片上天線。本實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。本實用新型能夠滿足60GHz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60GHz附近的約7GHz（57～64GHz）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。
【專利說明】—種基于人工磁導體結構的60GHz片上天線
【技術領域】
[0001]本實用新型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60GHz片上天線。
【背景技術】
[0002]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。
[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。
[0004]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Ml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】
[0005]本實用新型針對現有技術的不足，提供了一種基于人工磁導體結構的60 GHz片上天線。本實用新型基于標準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娃襯底層之間，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導(CPW, Coplanar waveguide)饋電。
[0006]本實用新型采用的技術方案是:
[0007]本實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體結構位于SiO2層的Ml金屬層，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導饋電。
[0008]本實用新型具有的有益效果是:
[0009]本實用新型中的正六邊形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3X6 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(3X6，3X7，3X8)，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(3X6，4X6，5X6)，天線的最大增益和輻射效率變化緩慢。【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]附圖1為基于CMOS工藝的正六邊形AMC結構單元3D圖；
[0011]附圖2為多個正六邊形AMC結構單元俯視圖；
[0012]附圖3為正六邊形AMC結構單元反射相位圖；
[0013]附圖4為基于CMOS工藝采用3X6周期加載正六邊形AMC結構的片上天線3D結構圖；
[0014]附圖5為周期加載不同排列AMC結構的片上天線回波損耗；
[0015]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】
[0016]以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0017]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°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。
[0018]基于CMOS工藝采用3 X 6周期加載正六邊形AMC結構的片上天線3D結構圖如圖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結構位于SiO2層的Ml金屬層，天線采用共面波導饋電。為了研究不同排列的AMC結構單元對片上天線的影響，分別周期加載3 X 6，4 X 6，5 X 6，3 X 7，3 X 8排列AMC結構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結構單元，片上天線的回波損耗小于-10 dB對應的帶寬均完全覆蓋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共面波導基本匹配，從而保證了電磁能力能有效的傳輸到天線，并經天線輻射向自由空間。由圖7和圖8可以得到，當增加電流方向的AMC單元個數(3X6，3X7，3X8)，天線的增益和輻射效率都大幅提高；當增加垂直于電流方向的AMC單元個數(3X6，4X6，5X6)，天線的增益和輻射效率變化緩慢。
[0020]本實用新型中的正六邊形AMC結構的優點包括:
[0021](I)尺寸小且結構簡單。如圖2，正六邊形AMC結構單元的最終設計尺寸為a=107um, g=45 um。
[0022](2)成本低廉、加工方便。所設計的AMC結構加載于采用CMOS工藝的片上天線設計中，CMOS工藝制造成本低且便于大規模生產。
[0023](3)較好的同相位反射特性。可以實現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短距離無線通信中有較好的應用前景。
[0024](4)不同周期加載AMC結構對片上天線性能影響有規律可循。可以通過天線的設計參數和空間要求，有目的性的選擇相應周期加載AMC結構，提高仿真設計的效率。
[0025]本實用新型陳述了一種基于CMOS工藝應用于60 GHz片上天線的人工磁導體結構，創新性地使用正六邊形AMC結構單元，通過周期加載滿足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，同時通過不同周期加載AMC結構對片上天線性能影響具有一定規律。綜上所述，設計出的正六邊形AMC結構單元，不僅可應用在基于CMOS工藝的60 GHz片上天線的設計中，解決傳統工藝價格昂貴難以普及的缺點，同時降低了 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片上天線性能的影響，因此有著廣闊的應用價值和市場潛力。
【權利要求】
1.一種基于人工磁導體結構的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體結構位于SiO2層的Ml金屬層，三角形單極子天線采用50 Ω共面波導饋電。
2.根據權利要求1所述的60GHz片上天線，其特征在于:相鄰正六邊形人工磁導體結構的距離為45 um，每個正六邊形AMC結構的邊長為107 um。
【文檔編號】H01Q1/22GK203774448SQ201420140339
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】項鐵銘, 馬曉洋, 王龍龍, 陳偉 申請人:杭州電子科技大學