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      一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法

      文檔序號:7010113閱讀:361來源:國知局
      一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法
      【專利摘要】一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法。該天線可用于近場通信、無限個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、超寬帶無線通訊、數(shù)字家庭、顯示器高速無線接口、智能射頻標(biāo)簽等。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;第一、第二矩形接地金屬片分別與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、中心工作頻率精準(zhǔn)等特點(diǎn),完全兼容現(xiàn)行的CMOS工藝,是一種有發(fā)展前景的新技術(shù)。
      【專利說明】一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與實(shí)現(xiàn)方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]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(shù)領(lǐng)域】,特別涉及一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法。
      【背景技術(shù)】
      [0002]無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(WPANs)、近場通信(NFC)、顯示器無線接口、數(shù)字家庭等技術(shù)的發(fā)展,使無線通信技術(shù)步入高分辨率大容量媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)代,特別是毫米波無線通信技術(shù),在移動(dòng)分布式計(jì)算,無線游戲及無線高速傳輸超大文件等領(lǐng)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(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā),所需的天線尺寸也相應(yīng)減小,同時(shí)CMOS和BiCMOS技術(shù)的發(fā)展使集成電路和系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)的體積,提高收發(fā)系統(tǒng)的可靠性,降低系統(tǒng)成本。
      [0003]雖然將天線集成在芯片內(nèi)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(shù)上的挑戰(zhàn),特別是采用CMOS工藝來設(shè)計(jì)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(dǎo)率,硅襯底電阻率低而介電常數(shù)高等,這些因素會(huì)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。
      [0004]近年來已提出多種片上集成天線增強(qiáng)方法,如光子帶隙、質(zhì)子注入提高硅基電阻率、添加介質(zhì)透鏡、深反應(yīng)離子刻蝕硅基微加工等,但是都以提高工藝復(fù)雜性為代價(jià),不僅增加了制造成本,而且與CMOS工藝不兼容,不易推廣應(yīng)用。
      [0005]目前高增益寬帶片上集成天線的設(shè)計(jì)是一種挑戰(zhàn),人工磁導(dǎo)體技術(shù)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?;贑MOS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(shù)的發(fā)展具有重大意義。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0006]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(diào)整梯形輻射金屬片短邊尺寸能夠微調(diào)天線中心工作頻率的技術(shù)問題,以提高片上集成天線與激勵(lì)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(shí)現(xiàn)方法。
      [0007]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線包括:
      [0008]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(qū)動(dòng)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(dú)立,并利用通孔與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。
      [0009]所述的介質(zhì)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(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層堆疊而成;人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層構(gòu)成人工磁導(dǎo)體;所述集成的地平面金屬片和人工磁導(dǎo)體金屬層之間用人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層隔開。
      [0010]所述的單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
      [0011]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(jù)片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配參數(shù)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X20微米的長方形。
      [0012]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(shí),具有10吉赫茲帶寬。
      [0013]所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
      [0014]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。
      [0015]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(jīng)過下述步驟:
      [0016]第一、在磷娃玻璃工藝基礎(chǔ)上,米用電子束蒸發(fā)或派射的方法,在娃片上沉積一層招、招娃合金或招娃銅合金制作完成CMOS工藝的第一金屬層;
      [0017]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;
      [0018]第三、在第一金屬層上面,利用化學(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體的下介質(zhì)層;
      [0019]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(dǎo)體金屬層;
      [0020]第五、通過CMOS工藝的光刻方法,在第二金屬層制作人工磁導(dǎo)體的井字型開孔金屬片;
      [0021]第六、在第二金屬層上面,利用化學(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體的上介質(zhì)層;
      [0022]以上步驟形成了所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線介質(zhì)基板;
      [0023]第七、利用CMOS工藝的頂層金屬工藝,在人工磁導(dǎo)體上面沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層;利用光刻在頂層金屬層制作梯形輻射金屬片、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;
      [0024]第八、利用絕緣層(上介質(zhì)層和下介質(zhì)層)上的金屬過孔將第一矩形接地金屬片、第二矩形接地金屬片和地平面金屬片連接起來,將矩形信號金屬片與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
      [0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
      [0026]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,改變梯形輻射金屬片的短邊尺寸,能夠明顯改善片上集成天線與驅(qū)動(dòng)電路之間的匹配,而不會(huì)影響天線的其他輻射性能。該梯形單極子片上集成天線在中心工作頻率為59.8吉赫茲時(shí),帶寬為10吉赫茲,最大增益為3.81dBi,尺寸為0.6mm*l.2mm。本發(fā)明提供的梯形單極子片上集成天線具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、中心工作頻率精準(zhǔn)等特點(diǎn),完全兼容現(xiàn)行的CMOS工藝,是一種具有發(fā)展前景的新技術(shù)。【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0027]圖1是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線結(jié)構(gòu)示意圖;
      [0028]圖2是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖;
      [0029]圖3是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線頂層金屬層設(shè)計(jì)參數(shù)圖;
      [0030]圖4是本發(fā)明提出的一種60吉赫茲片上集成天線與收發(fā)電路片上布局圖。
      【具體實(shí)施方式】
      [0031]實(shí)施例1、60吉赫茲梯形單極子片上集成天線
      [0032]如圖1所示,本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,包括:
      [0033]梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號金屬片6和第二矩形接地金屬片7 ;所述的梯形輻射金屬片I采用平面梯形形狀,其短邊與微帶饋電金屬線5的一端相連,微帶饋電金屬線5的另一端與矩形信號金屬片6相連,矩形信號金屬片6作為驅(qū)動(dòng)信號輸入端;梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、矩形信號金屬片6、第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7,使用CMOS工藝的頂層金屬層9制作而成;所述的第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7與其他部件相互獨(dú)立,并利用金屬通孔與集成的地平面金屬片13相連。
      [0034]梯形輻射金屬片的短邊的尺寸根據(jù)片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配參數(shù)來確定。
      [0035]所述的頂層金屬層下面的介質(zhì)基板2 (參見圖2)由下至上依次包括硅襯底14、集成的地平面金屬片13、人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12、人工磁導(dǎo)體金屬層11和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10堆疊而成;人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12、人工磁導(dǎo)體金屬層11和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10構(gòu)成人工磁導(dǎo)體3。
      [0036]集成的地平面金屬片13和人工磁導(dǎo)體金屬層11之間由人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12隔開,人工磁導(dǎo)體層金屬層11和頂層金屬層9的金屬片之間由人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10隔開;所述的人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10和人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12用濺射的二氧化硅絕緣層實(shí)現(xiàn)。
      [0037]所述的制備梯形輻射金屬片的金屬層用CMOS工藝的頂層金屬層制作。
      [0038]所述的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。
      [0039]所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
      [0040]實(shí)施例2、60吉赫茲梯形單極子片上集成天線制作
      [0041]本發(fā)明提供的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的具體制作步驟如下:
      [0042]第一、采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R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;
      [0043]第二、利用光刻的方法,在第一金屬層制作集成的地平面金屬片13;
      [0044]第三、在第一金屬層上面,利用化學(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12 ;
      [0045]第四、退火,人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層12上面,沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作人工磁導(dǎo)體金屬層11 (即第二金屬層);
      [0046]第五、利用光刻的方法,在人工磁導(dǎo)體金屬層11制作人工磁導(dǎo)體的井字形開孔金屬片;
      [0047]第六、在人工磁導(dǎo)體金屬層11上面,利用化學(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10 ;
      [0048]第七、在人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層10上面,沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層9 ;
      [0049]第八、利用光刻的方法,在頂層金屬層9制作梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號金屬片6和第二矩形接地金屬片7 ;
      [0050]第九、利用絕緣層(上介質(zhì)層10和下介質(zhì)層12)上的金屬過孔將第一矩形接地金屬片8、第二矩形接地金屬片7和集成的地平面金屬片13連接起來,將矩形信號金屬片6與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
      [0051]實(shí)施例3、片上集成天線
      [0052]如圖3所示,在頂層金屬層9制作梯形輻射金屬片1、微帶饋電金屬線5、第一矩形接地金屬片8、矩形信號金屬片6和第二矩形接地金屬片7等金屬片,關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸如下:
      [0053]A是梯形輻射金屬片I的長邊尺寸15,對片上集成天線的帶寬和端口匹配具有較大的影響,本發(fā)明尺寸A取150微米;
      [0054]B是梯形輻射金屬片I的高度尺寸16,對片上集成天線的中心工作頻率、天線帶寬以及回波損耗影響很大,是一個(gè)重要的參數(shù),需要精密設(shè)計(jì),本發(fā)明尺寸B取140微米;
      [0055]C是梯形輻射金屬片I的短邊尺寸17,對片上集成天線的中心工作頻率和與激勵(lì)電路的匹配具有較大影響,可用來調(diào)整天線的中心工作頻率,本發(fā)明尺寸C取100微米;
      [0056]D是微帶饋電金屬線5的寬度18,E是微帶饋電金屬線5的長度19,這兩個(gè)尺寸對片上集成天線的中心工作頻率和天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配關(guān)系很大,本發(fā)明尺寸D取10微米,尺寸E取225微米;
      [0057]F是矩形信號金屬片6與第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7之間的距離,這個(gè)尺寸對天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配影響很大,在本發(fā)明中尺寸F取40微米;
      [0058]G是第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7的一邊的邊長21,H是第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7的另一邊的邊長22,這兩個(gè)尺寸影響天線與驅(qū)動(dòng)電路的匹配參數(shù),本發(fā)明第一矩形接地金屬片8和第二矩形接地金屬片7采用正方形結(jié)構(gòu),尺寸G和尺寸H取50微米;
      [0059]J和K分別是矩形信號金屬片6的邊長23和邊長24,本發(fā)明矩形信號金屬片6采用長方形結(jié)構(gòu),邊長K的尺寸23取40微米,邊長J的尺寸24取20微米。
      [0060]實(shí)施例3所述的所有尺寸,通過軟件仿真確定的。
      [0061]實(shí)施例4、片上集成天線應(yīng)用
      [0062]本發(fā)明提出的一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線與驅(qū)動(dòng)電路和收發(fā)器電路集成在Iv芯片上,芯片布局如圖4所不:
      [0063]芯片上射頻信號收發(fā)器電路25、低噪聲放大器26、驅(qū)動(dòng)電路27和梯形單極子片上集成天線28分三個(gè)相對隔開的區(qū)域單獨(dú)設(shè)計(jì);
      [0064]收發(fā)器電路25的發(fā)送信號輸出端與驅(qū)動(dòng)電路27的輸入端相連,驅(qū)動(dòng)電路27的輸出端與梯形單極子片上集成天線28中的矩形信號金屬片6相連,通過天線28實(shí)現(xiàn)信號輻射;[0065]矩形信號金屬片6同時(shí)與低噪聲放大器26的輸入端相連,由梯形單極子片上集成天線28接收到的輻射信號,通過矩形信號金屬片6送到低噪聲放大器26的輸入端,低噪聲放大器26的輸出端與收發(fā)器電路25的接收信號輸入端相連,并從低噪聲放大器26的輸出端獲取接收到的信號;
      [0066]在梯形單極子片上集成天線28的設(shè)計(jì)區(qū)域,利用CMOS工藝的第一金屬層,制備地平面金屬片13,利用CMOS工藝的第二金屬層,制備人工磁導(dǎo)體3中的人工磁導(dǎo)體金屬層11,用來減小硅襯底對射頻信號的耦合損耗。
      【權(quán)利要求】
      1.一種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于該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(qū)動(dòng)信號輸入端和接收信號的輸出端;整個(gè)單極子片上集成天線使用CMOS工藝的頂層金屬層制作而成,頂層金屬層下面是介質(zhì)基板;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(dú)立,并利用通孔與頂層金屬層下面的介質(zhì)基板中集成的地平面金屬片相連。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于所述的介質(zhì)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(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層堆疊而成;人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層、人工磁導(dǎo)體金屬層和人工磁導(dǎo)體上介質(zhì)層構(gòu)成人工磁導(dǎo)體;所述集成的地平面金屬片和人工磁導(dǎo)體金屬層之間用人工磁導(dǎo)體下介質(zhì)層隔開。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于,所述的單極子片上集成天線采用傳統(tǒng)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于,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X 20微米的長方形。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線,其特征在于,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(shí),具有10吉赫茲帶寬。`
      6.—種60吉赫茲梯形單極子片上集成天線的制作方法,依次經(jīng)過下述步驟: 第一、在磷娃玻璃工藝基礎(chǔ)上,米用電子束蒸發(fā)或派射的方法,在娃片上沉積一層招、招娃合金或招娃銅合金制作完成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(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體的下介質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)體的井字型開孔的金屬片; 第六、在第二金屬層上面,利用化學(xué)氣相沉積方法,制作二氧化硅絕緣層,作為人工磁導(dǎo)體的上介質(zhì)層; 以上步驟形成了所述的60吉赫茲梯形單極子片上集成天線介質(zhì)基板; 第七、利用CMOS工藝的頂層金屬工藝,在人工磁導(dǎo)體上面沉積鋁、鋁硅合金或鋁硅銅合金制作頂層金屬層;利用光刻在頂層金屬層制作梯形輻射金屬片、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; 第八、利用金屬過孔將第一矩形接地金屬片、第二矩形接地金屬片和地平面金屬片連接起來,將矩形信號金屬 片與驅(qū)動(dòng)電路輸出端和低噪聲放大器輸入端連接起來。
      【文檔編號】H01Q1/38GK103531904SQ201310535712
      【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
      【發(fā)明者】宋芃霖, 耿衛(wèi)東, 劉艷艷, 莊再姣, 張晉, 張?zhí)N千, 曾夕 申請人:南開大學(xué)
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