基于CMOS技术高增益高效率60 GHz微带结构片上天线研究

摘要

随着无线通信技术和CMOS工艺技术的飞速发展，无线射频集成电路的发展不断涌现新的热点研究，天线作为无线通信系统重要模块，因此基于CMOS技术高性能小型化的片上天线成为聚焦，尤其是具有显著优点的60 GHz频段吸引了广大学者的兴趣。片上天线使电路与天线集成，减少了芯片匹配模块，提高了片上系统集成度，降低了封装和布线复杂度，进一步推进了集成电路小型化发展。然而，低电阻率和高介电常数的硅衬底损耗和束缚使得片上天线增益和辐射效率很低。通过文献调研，借鉴传统天线理论，本文整理并提出了一种基于微带结构创新型解决方案，根据片上天线应用场合，研究设计了应用在水平空间通信和垂直空间通信的高性能60 GHz片上天线，主要研究内容如下：
　　首先本文调研片上天线的研究背景以及国内外发展状况，对已公开发表的片上天线进行分类整理，研究能量损耗原因，探索屏蔽硅衬底损耗方法，探索加载介质谐振器提高增益方法，为高增益高效率片上天线设计做铺垫。
　　通过借鉴传统天线理论，提出了解决低电阻率高介电常数硅衬底损耗的新思路，在M1金属层采用全地板结构降低电磁波进入硅衬底。通过分析贴片电流分布调整贴片大小和基片大小等相关参数，借助 ANSOFT公司电磁场仿真软件 HFSS优化设计了一款微带结构的小型化高性能片上天线。天线成功流片后，采用安捷伦矢量网络分析仪测试天线回波损耗，通过构建绝对增益测试网络测试天线的增益，并对天线测试结果和仿真结果进行了对比和分析。
　　为了进一步提高天线增益，提出了在贴片天线上方加载高介电常数陶瓷介质谐振器，形成增强型耦合，这在已公开发表的片上天线成果中是首次在贴片天线上方加载介质谐振器。通过研究片上天线环境介质谐振器与贴片天线的电磁耦合规律，得到天线结构原型。根据整理的加载介质谐振器高性能侧射片上天线设计步骤，设计了一款60 GHz高增益高辐射效率侧射片上天线。天线成功流片后，同样采用第三章测试方法进行测试并对比仿真结果和测试结果。
　　由于采用八木结构等传统端射型片上天线的端射方向增益和辐射效率都很低，第五章创新采用加载介质谐振器的贴片天线结构，应用介质谐振器与贴片天线的耦合规律，设计加工测试了一款60 GHz高性能加载介质谐振器端射片上天线。
　　最后，概括本文的研究成果和实际意义，并指出未来的研究方向。

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第一章 绪 论

1.1 基于CMOS技术毫米波集成电路研究背景

1.2 基于CMOS技术片上天线研究现状与挑战

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 片上天线物理设计和性能设计理论

2.1 片上天线物理设计

2.2 天线性能设计理论

2.3 本章小结

第三章 微带结构小型化高性能片上天线设计

3.1 60 GHz微带结构片上天线性能设计

3.2 仿真结果分析

3.3 天线加工和测试

3.4 本章小结

第四章 加载介质谐振器高性能侧射片上天线设计

4.1 天线结构和工作原理

4.2 天线设计步骤

4.3 仿真结果分析

4.4 天线加工和测试

4.5 本章小结

第五章 加载介质谐振器高性能端射片上天线设计

5.1 天线结构和工作原理

5.2 天线参数分析与设计

5.3 天线仿真和测试结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果