本發(fā)明專利技術(shù)(“一種片上集成硅基折疊式天線”)公開了片上可集成的天線，該天線運(yùn)用于集成電路系統(tǒng)的可集成超寬帶天線。本發(fā)明專利技術(shù)的主要特點(diǎn)是選取的材料為硅基襯底以及其上淀積的中間層和頂層鋁金屬。主要平面結(jié)構(gòu)采用折疊式結(jié)構(gòu)和用于對(duì)天線輻射性能進(jìn)行調(diào)節(jié)的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CMOS平面工藝的完全兼容；能夠?qū)崿F(xiàn)6-8GHz帶寬內(nèi)的寬帶信號(hào)的發(fā)射與接收；實(shí)現(xiàn)了與發(fā)射端功率放大器和接收端低噪聲放大器的阻抗匹配，即50歐姆；提供了一定的傳輸效率和較好的傳輸損耗特性；本發(fā)明專利技術(shù)對(duì)天線的輻射方向圖在一定程度上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)；針對(duì)應(yīng)用于不同系統(tǒng)中的片上天線，本發(fā)明專利技術(shù)都有一定程度上的可適用性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)(“一種片上集成硅基折疊式天線”)公開了片上可集成的天線，該天線運(yùn)用于集成電路系統(tǒng)的可集成超寬帶天線。本專利技術(shù)的主要特點(diǎn)是選取的材料為硅基襯底以及其上淀積的中間層和頂層鋁金屬。主要平面結(jié)構(gòu)采用折疊式結(jié)構(gòu)和用于對(duì)天線輻射性能進(jìn)行調(diào)節(jié)的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CMOS平面工藝的完全兼容；能夠?qū)崿F(xiàn)6-8GHz帶寬內(nèi)的寬帶信號(hào)的發(fā)射與接收；實(shí)現(xiàn)了與發(fā)射端功率放大器和接收端低噪聲放大器的阻抗匹配，即50歐姆；提供了一定的傳輸效率和較好的傳輸損耗特性；本專利技術(shù)對(duì)天線的輻射方向圖在一定程度上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)；針對(duì)應(yīng)用于不同系統(tǒng)中的片上天線，本專利技術(shù)都有一定程度上的可適用性。【專利說明】一種片上集成硅基折疊式天線
本專利技術(shù)涉及硅基可集成天線，具體地說，與集成電路（1C)可以片上集成的超寬帶 天線。
技術(shù)介紹
片上天線主要實(shí)現(xiàn)集成電路中無線傳輸系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射與接收。其實(shí)現(xiàn)功能類似 于傳統(tǒng)天線功能，需要實(shí)現(xiàn)電磁波的發(fā)射與接收，同時(shí)，需要完成發(fā)射端與功率放大器的阻 抗匹配以及接收端與低噪聲放大器的阻抗匹配。其關(guān)鍵參數(shù)為發(fā)射與接收時(shí)工作帶寬，即 工作頻率范圍；以及無線傳輸時(shí)的能量損耗。 片上天線的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容，在同一個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)天線 與集成電路的集成，節(jié)省互連與面積消耗。由于傳統(tǒng)的天線對(duì)材料要求較為固定，一般為金 屬材料，如鐵、鋁等；并且對(duì)形狀要求較為嚴(yán)格，一般為三維結(jié)構(gòu)，這與集成電路（1C)的平 面工藝存在矛盾。因此，現(xiàn)有的解決方案多為大面積的折疊結(jié)構(gòu)，或者更多的采用片外天線 結(jié)構(gòu)，即采用電路芯片與天線分離，再通過管腳和導(dǎo)線的互連實(shí)現(xiàn)無線傳輸。 傳統(tǒng)分離結(jié)構(gòu)主要存在的問題是，無法集成，與CMOS工藝兼容性差。CMOS工藝為 平面工藝，即通過摻雜、光刻、刻蝕、淀積等步驟實(shí)現(xiàn)多層平面結(jié)構(gòu)，采用的主要材料為硅基 襯底、二氧化硅、鋁或者銅等金屬，形成薄層結(jié)構(gòu)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中與CMOS工藝兼容性問題和硅基材料下的面積消耗過大問 題，提供了一種硅基工藝下，利用頂層金屬實(shí)現(xiàn)的折疊式片上天線，很好的實(shí)現(xiàn)了工藝兼容 和電磁波發(fā)射和接收。 為解決上述問題，本專利技術(shù)采用了如下技術(shù)方案： 片上利用CMOS工藝中的頂層金屬，一般為鋁或者銅，作為金屬材料，利用該層薄 膜型金屬，作為電流載體，實(shí)現(xiàn)基本的振蕩和電磁波發(fā)射結(jié)構(gòu)功能。所述片上天線采用鏡面 堆成的折疊式結(jié)構(gòu)，利用金屬的寬度和厚度，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)帶寬下的頻率匹配和阻抗匹配，通過 調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的占空比等參數(shù)，得到目標(biāo)帶寬和阻抗。所述結(jié)構(gòu)利用硅基襯底和淀積的二氧 化硅，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)隔離，本專利技術(shù)所述片上天線通過摻雜、光刻、刻蝕等CMOS步驟，從工藝上實(shí) 現(xiàn)印刷制造。 本專利技術(shù)一種實(shí)例所述片上天線，所用材料為鋁，其其導(dǎo)電常數(shù)為3. 72e+7S/m，襯底 為相對(duì)介電常數(shù)是11. 9的硅，硅襯底厚度為260um。 本專利技術(shù)一種實(shí)例所述片上天線，采用一對(duì)或兩對(duì)折疊式結(jié)構(gòu)，金屬寬度、金屬間 隔、以及基本結(jié)構(gòu)重復(fù)組數(shù)均可調(diào)。 本專利技術(shù)一種實(shí)例所述片上天線，實(shí)現(xiàn)了 6-8GHZ的寬帶匹配，和50ohm的阻抗匹 配。為了達(dá)成該性能，采用金屬寬度為l〇um，重復(fù)單元寬為140um，高為450um，天線對(duì)相距 150um，金屬厚度為4um，總長1950um，金屬凸塊為150um*150um。 本專利技術(shù)一種實(shí)例所述片上天線，使用信號(hào)為帶寬范圍為6-8GHz的高斯波脈沖信 號(hào)或其它寬帶信號(hào)，通過脈沖的有無判斷傳輸數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)的〇或者1，對(duì)于非開關(guān)調(diào)制 的信號(hào)，本專利技術(shù)所述天線也具有普適性。 本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)提供了片上可集成的天線，能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)CMOS平 面工藝的完全兼容；能夠?qū)崿F(xiàn)6-SGHz帶寬內(nèi)的寬帶信號(hào)的發(fā)射與接收；實(shí)現(xiàn)了與發(fā)射端功 率放大器和接收端低噪聲放大器的阻抗匹配，即50ohm ;提供了一定的傳輸效率和較好的 傳輸損耗特性；提供了天線輻射方向圖可調(diào)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并有利于改善運(yùn)用于不同電路結(jié) 構(gòu)中的天線輻射效率的實(shí)現(xiàn)。 【專利附圖】【附圖說明】 附圖1為射頻收發(fā)信號(hào)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成； 附圖2為提出的結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造，折疊結(jié)構(gòu)制作于頂層，下面是作為可調(diào)部分的 金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再下面是接地的金屬層，以上三個(gè)部分之間通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的二氧化硅 進(jìn)行隔離； 附圖3為提出結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例的具體參數(shù)情況，其中，a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，d = 10um ; 附圖4為實(shí)例的網(wǎng)格處理情況，該實(shí)例簡單處理為用線寬為lOum的條狀金屬縱 橫排列，組成中間較疏四周較密的規(guī)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中縱向77條，橫向37條，縱向的77條 金屬中，處于中間的29條與相鄰金屬條直接的距離為20um，兩側(cè)各24條金屬之間距離為 10um ;橫向金屬的中間13條與相鄰金屬條直接間距為20um，上下兩側(cè)各12條金屬之間距 離為10um。注：間距較大的金屬條與間距較小金屬條相鄰時(shí)其間距取20um。 附圖5為所提出結(jié)構(gòu)的實(shí)例加工之后的照片。 附圖6為實(shí)例所示的結(jié)構(gòu)在距離為150um時(shí)得到的傳輸增益曲線。 【具體實(shí)施方式】 下面通過【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 本專利技術(shù)的主要專利技術(shù)構(gòu)思是：利用CMOS工藝中的頂層金屬，一般為鋁或者銅，作為 金屬材料，采用鏡面堆成的折疊式結(jié)構(gòu)，利用金屬的寬度和厚度，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)帶寬下的頻率匹 配和阻抗匹配；同時(shí)，利用硅基襯底和淀積的二氧化硅，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)隔離；將CMOS工藝中的底 層金屬設(shè)置為地端，改變頂層金屬與底層金屬之間金屬層的占空比來調(diào)節(jié)和改善天線的輻 射方向圖。 本專利技術(shù)所示天線如附圖2所示，天線主體結(jié)構(gòu)由鋁構(gòu)成，其導(dǎo)電常數(shù)為3. 72e+7S/ m，襯底為相對(duì)介電常數(shù)是11. 9的硅。用于演示的實(shí)例如附圖3所示，其中的具體參數(shù)如下： a = 100um，b = 140um，h = 1950um，w = 450um，金屬線寬 d = 10um.娃襯底厚度為 260um， 折疊的金屬結(jié)構(gòu)厚度是4um。 本專利技術(shù)所述天線的實(shí)例實(shí)現(xiàn)的傳輸特性曲線如附圖6所示，傳輸天線在工作頻率 范圍內(nèi)匹配到50歐姆。在頻率5. 86GHz tolO. 08GHz，傳輸增益s21>-20dB。在這個(gè)頻率 范圍，回?fù)p（return loss，sll)滿足小于-10dB的條件。S21最大值-5. 88dB出現(xiàn)在頻率 為 L 66GHz 時(shí)。 天線傳輸增益的計(jì)算如下式： 【權(quán)利要求】1. 一種用于集成電路制作工藝的片上天線設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)為單極天線，其主要部分包括 制作在頂層金屬上的折疊天線結(jié)構(gòu)； 作為地端的底層金屬層； 以及用于調(diào)節(jié)天線輻射性能的中間金屬層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，主要天線結(jié)構(gòu)為折疊結(jié)構(gòu)，制作于CMOS工藝的最頂層 金屬。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，以底層金屬為地端，接到0電平。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，對(duì)中間層金屬進(jìn)行網(wǎng)格化處理，此種處理視對(duì)片上天 線的具體要求而定，包括且不限于將中間金屬層制作為規(guī)則排列和不規(guī)則分布的孔狀結(jié) 構(gòu)。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于集成電路制作工藝的片上天線設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)為單極天線，其主要部分包括制作在頂層金屬上的折疊天線結(jié)構(gòu)；作為地端的底層金屬層；以及用于調(diào)節(jié)天線輻射性能的中間金屬層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王小軍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京大學(xué)深圳研究生院，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44
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