一種毫米波CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的容量，對(duì)寬帶多媒體組件的需求不斷增加。特別是對(duì)于密集的本地通信來(lái)說(shuō)，指定給無(wú)線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（WPAN）的60GHz頻帶對(duì)于短距通信 具有特殊意義。這是因?yàn)樵谝?0GHz為中心頻率的8GHz帶寬內(nèi)由大氣中的氧氣引起的射頻衰減為10到15dB/km。這使60GHz頻段對(duì)于所有類(lèi)型 的短距無(wú)線通信具有最重大的意義。為了在60GHz無(wú)線電中使用射頻芯片嵌入式系統(tǒng)（SoC）方式，研究了整合低成本單片集成CMOS射頻前端電路的天線。

本文提出了一種60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線。在這種射頻芯片嵌入式天線的設(shè)計(jì)中采用了帶有集成微帶過(guò)孔不平衡-平衡器的平面偶極子天線結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)仿真中使用了一種 基于FEM的3-D全波EM solver—Ansoft公司的HFSS。天線芯片使用0.18微米CMOS工藝制造。所設(shè)計(jì)的射頻芯片嵌入式天線的輸入VSWR和天線增益晶圓上測(cè)量 使用微波探針臺(tái)實(shí)行。

天線設(shè)計(jì)

圖1給出了所提的平面印制偶極子天線。微帶過(guò)孔不平衡-平衡器用作饋電同軸線和兩個(gè)印制偶極子帶之間的不平衡-平衡轉(zhuǎn)換器。偶極子帶的長(zhǎng)度約為1/4波 長(zhǎng)。微帶線和偶極子帶的接地面在同一個(gè)面。就像圖中指出的那樣，過(guò)孔允許一個(gè)印制偶極子帶的饋電信號(hào)（點(diǎn)2）與另一個(gè)印制偶極子帶的饋電信號(hào)（點(diǎn)1）擁有 相同的相位。因?yàn)轫攲訉?dǎo)體與微帶線的接地面存在180°相差，印制偶極子帶點(diǎn)2的饋電信號(hào)會(huì)與點(diǎn)1的另一個(gè)饋電信號(hào)之間存在180°相差。偶極子臂帶寬度 選取為約等于波長(zhǎng)的十分之一。微帶饋線寬面的特征阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω。印制偶極子和集成過(guò)孔不平衡-平衡器每個(gè)部分的尺寸必須經(jīng)過(guò)精確的數(shù)值計(jì)算以獲得所需的印制天線性能。圖2給出了所設(shè)計(jì)的60GHz射頻芯片嵌入式偶 極子天線的0.18微米CMOS工藝制成芯片布線與切面圖。

仿真與測(cè)試結(jié)論

圖3給出了HFSS仿真的天線電流分布。頂面和底面金屬上的仿真電流密度矢量明顯表示出了平衡電流分布和兩個(gè)印制偶極子饋電點(diǎn)上電流流動(dòng)矢量180°相位 差。這展示了集成微帶不平衡-平衡器的作用。圖4給出了一個(gè)制成60GHz CMOS射頻芯片嵌入式天線的芯片顯微圖。芯片尺寸為0.75 × 0.66mm，基底厚度約為500mm。圖5給出了天線輸入VSWR晶圓上測(cè)量值，其在55到65GHz內(nèi)小于3。圖6和表1給出了60GHz天線仿真輻 射圖樣與H平面、E平面功率增益值。注意到，天線功率增益（絕對(duì)增益）Gp定義為：

圖1 帶有集成過(guò)孔不平衡-平衡器的平面耦極子天線

圖2 60GHzCMOS射頻芯片嵌入式天線芯片布線（a）和截面圖（b）

圖3 HFSS仿真圖與仿真天線電流分布

圖4 芯片顯微圖

圖5 仿真和實(shí)測(cè)天線輸入VSWR

表1 60GHz仿真天線功率增益

圖6 60GHz H平面E平面仿真天線輻射圖樣