基于硅技术的太赫兹片上天线与系统的研究

摘要

硅技术以其低成本、高集成度等优势，在太赫兹频段得到了广泛的应用。太赫兹片上集成系统能够避免封装工艺带来的损耗和不确定性，逐渐成为研究热点。本论文以太赫兹高速无线通信为应用背景，对基于硅技术的太赫兹片上天线及系统进行研究，主要工作如下:
　　1.提出了340GHz基片集成波导(SIW)背腔式片上天线结构:采用CPW馈电形式，利用硅基工艺的最顶层和最低层金属形成SIW背腔和矩形贴片。仿真和测试结果表明该天线单元增益和辐射效率分别达到3.7dBi和48％。该天线结构简单、没有任何后期处理，可用于小规模相控阵系统中。
　　2.提出了340GHz高增益高效率的太赫兹三维(3D)天线结构:该天线包含SIW背腔式片上天线、低介电常数介质支撑层和高介电常数介质谐振器。仿真和测试结果表明该天线增益和辐射效率分别达到10dBi和80％，可用于如单通道接收机等对天线增益要求较高的系统中。
　　3.提出了D波段介质加载片上端射天线结构:利用片上天线及装配结构中金属反射面和减薄衬底的办法实现端射特性，并利用介质加载的方法实现了高增益和辐射效率的D波段片上端射天线。仿真和测试结果表明该天线单元和1×2阵列的增益和辐射效率分别达到了4.1/7dBi和83/72％，可用于D波段单通道或阵列通信系统。
　　4提出了320GHz反射器加载片上端射天线结构:在硅衬底不减薄的情况下，采用刻蚀和金属溅射的方法在偶极子天线背面加载金属反射器。仿真和测试结果表明该天线单元和1×2阵列的增益和效率分别达到了5.5/7.7dBi和78/68％，可用于大规模太赫兹端射阵列系统。
　　5.采用先移相再倍频的方式设计并研制了320GHz的1×4全集成相控阵发射机芯片:集成了锁相环(PLL)频率合成器、四倍频器、模拟衰减器、反射式移相器、功率放大器、调制/倍频器以及片上天线。该发射机芯片在310～330GHz频率范围内有效各向同性辐射功率（EIR）为7.6～10.6dBm，并实现了H面±12°的波束扫描范围。
　　6.采用介质加载片上端射天线设计并研制了中心频率为135GHz的可扩展的端射片上收发系统(TRx)芯片:该芯片集成了接收机、发射机以及收、发片上端射天线。测试结果表明，系统发射机的EIRP达到9.2dBm，接收机增益达到21dB。通过采用16QAM调制方式，系统芯片之间无线通信速率达到4Gb/s。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 太赫兹硅基片上天线研究现状

1．2．2 太赫兹硅基片上系统(SOC)研究现状

1．2．3 本论文采用的工艺简介

1．3 本论文研究的主要内容

2 340GHz基片集成波导(SIW)背腔式片上天线的研究

2．1 引言

2．2 SIW背腔式片上天线

2．2．1 天线结构及理论分析

2．2．2 天线仿真

2．2．3 阵列天线设计

2．2．4 片上边射天线的测试设置

2．2．5 测试结果

2．2．6 讨论

2．3 本章小结

3 340GHz八木三维片上天线的研究

3．1 引言

3．2 八木三维片上天线

3．2．1 天线结构及理论分析

3．2．2 天线仿真

3．2．3 容差分析

3．2．4 天线测试

3．2．5 讨论

3．3 本章小结

4 D波段介质加载片上端射天线的研究

4．1 引言

4．2 介质加载片上端射天线

4．2．1 天线结构及理论分析

4．2．2 天线仿真

4．2．3 天线阵列

4．2．4 天线测试

4．2．5 讨论

4．3 本章小结

5 320GHz反射器加载片上端射天线的研究

5．1 引言

5．2 反射器加载片上端射天线

5．2．1 天线结构

5．2．2 仿真结果

5．2．3 天线阵列

5．2．4 反射器实现工艺

5．2．5 天线测试

5．2．6 讨论

5．3 本章小结

6 全集成片上系统的研究

6．1 引言

6．2 基于SIW背腔式片上贴片天线的320GHz集成相控阵发射机

6．2．1 系统结构

6．2．2 电路模块设计

6．2．3 相控阵系统设计

6．2．4 系统测试

6．2．5 讨论

6．3 基于介质加载端射天线的D波段收发系统

6．3．1 系统结构

6．3．2 发射机

6．3．3 接收机

6．3．4 系统测试

6．3．5 讨论

6．4 本章小结

7 结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间以第一作者完成的学术论文情况

攻读博士学位期间申请国家发明专利

攻读博士学位期间参加的科学研究情况