一種采用CMOS 0．18μm制造的帶EBG結(jié)構(gòu)小型化的片上天線

摘要：采用標(biāo)準(zhǔn)0．18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)制造了一種帶EBG(電磁帶隙)結(jié)構(gòu)的小型化片上天線。該片上天線由一根長(zhǎng)1．6 nm的偶極子天線以及一對(duì)一維的尺寸為240μm×340μm EBG結(jié)構(gòu)構(gòu)成。分別對(duì)該EBG結(jié)構(gòu)以及片上天線的S11及S21進(jìn)行了仿真和測(cè)試，結(jié)果表明該片上天線工作在20CHz，具有小型化的性能，同時(shí)具備三次諧波抑制的功能。
關(guān)鍵詞：片上天線；CMOS；EBG

最近幾年，一些研發(fā)人員陸續(xù)提出了無(wú)線互連、WCAN(無(wú)線片上局域網(wǎng))等概念。其主旨思想是利用無(wú)線通信的模式，通過(guò)自由空間有效的收發(fā)射頻或微波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片上或芯片間的信號(hào)傳輸，以達(dá)到無(wú)線互連的目的，從而代替原有的金屬互連線。該方法在一定程度上解決了現(xiàn)有金屬互連線的極限問(wèn)題，同時(shí)有利于SOC(片上系統(tǒng))的進(jìn)一步完善。
本文提出了一種新的帶EBG諧波抑制的小型化片上天線。EBC結(jié)構(gòu)的加載不僅減小天線的尺寸，同時(shí)抑制了天線的三次諧波。

1 天線的設(shè)計(jì)和仿真
本文設(shè)計(jì)的帶EBG結(jié)構(gòu)的小型化片上天線采用TSMC 0．18μm的工藝仿真和制造。圖1為該工藝的剖面圖。第六層金屬(M6)用于制備本設(shè)計(jì)的天線層。該工藝硅襯底的電阻率為20 Ω·cm。

1．1 小型化EBG結(jié)構(gòu)
圖2為本設(shè)計(jì)采用的一維EBG的結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖。從圖2 (b)可以看出，該EBG可以看做一個(gè)等效電感和等效邊緣電容的并聯(lián)。由于該EBC結(jié)構(gòu)是直接放存金屬地面上的，因此需要通過(guò)一對(duì)串聯(lián)的電感電容與地相連，串聯(lián)電容的大小與CMOS工藝中各介質(zhì)層的厚度及介電常數(shù)相關(guān)。當(dāng)該EBG的工作頻率在該等效電路的并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)附近時(shí)，就產(chǎn)生了帶阻特性。

圖3為仿真的該EBG結(jié)構(gòu)的S21特性，從圖中可以看出，在60 GHz附近，該EBC結(jié)構(gòu)的S21可以達(dá)到-26dB，具有帶阻特性。

1．2 帶EBG結(jié)構(gòu)的片上天線
我們將圖2中的EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用到片上天線的設(shè)計(jì)中，如圖4所示。該EBG結(jié)構(gòu)加載到一根片上偶極子天線的輸入端。該一種小型化具諧波抑制功能的偶極子天線的長(zhǎng)度為1.6mm。
圖5為本設(shè)計(jì)的片上天線對(duì)的仿真布局圖及仿真所得的S參數(shù)。一對(duì)帶EBG結(jié)構(gòu)的片上偶極子天線相距3 mm的距離相對(duì)放置在地面上。仿真所得的該天線的諧振頻率為20 CHz。通常，在硅襯底(εr=11．9)上，工作在20 GHz的普通片上半波偶極子天線長(zhǎng)度大約為4 mm，而本次設(shè)計(jì)的天線長(zhǎng)度僅為1．6 mm，極大的縮短了天線的尺寸。

同時(shí)，該帶EBC結(jié)構(gòu)的小型化片上天線在三次諧波附近(60 GHz)，其S21為-63 dB，其三次諧波被極大的抑制。

2 天線的制造及測(cè)試
圖6為本設(shè)計(jì)的芯片圖，一對(duì)間距為100μm的焊盤與天線的輸入端口連接，用于天線的S參數(shù)測(cè)試。圖7為該天線的測(cè)試環(huán)境。一對(duì)片上天線面對(duì)面的放置在探針臺(tái)上，距離為d。該測(cè)試采用兩對(duì)間距為100μm的GS探針與網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口相連接，一測(cè)試其S參數(shù)特性。

圖8為本次設(shè)計(jì)天線測(cè)試所得的S11，從圖中可以看出，該天線工作的中心頻點(diǎn)為17 GHz，與圖5所示有所偏差，同時(shí)-10 dB的阻抗帶寬也較圖5所示有極大的提高。這是由于CMOS工藝的工藝容差造成的，特別是硅襯底的電阻率，當(dāng)其電阻率從降低到，設(shè)計(jì)所得的天線的工作頻點(diǎn)將降低，同時(shí)帶寬將會(huì)有很大提高，這主要是由于硅襯底電阻率降低帶來(lái)更大的襯底損耗以及襯底等效電阻電容的變化。

圖9為在不同距離d的條件下測(cè)試所得的S21，從圖中可以看出，隨著距離的增加，其S21下降。同時(shí)，在天線的工作頻點(diǎn)附近，其S21出現(xiàn)了一個(gè)谷底，這是由于EBG結(jié)構(gòu)的存在，降低了天線的輻射效率。

3 結(jié)束語(yǔ)
本文采用TSMC 0．18μm設(shè)計(jì)制造了一種帶EBG結(jié)構(gòu)的小型化片上天線。一種一維的EBG結(jié)構(gòu)加載到了一根1．6 mm長(zhǎng)的片上偶極子天線，該結(jié)構(gòu)具有調(diào)節(jié)天線諧振頻率以及諧波抑制功能。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的天線在60 GHz具有三次諧波抑制的功能。而測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致表明，EBG結(jié)構(gòu)對(duì)天線的加載極大的縮短了天線的尺寸。該片上天線可用于無(wú)線互連或者WCAN系統(tǒng)中。