基于CMOS工艺的片上天线研究

【摘要】当前，随着无线通信和半导体工艺技术的发展，人们对电路集成提出了越来越高的要求，随之对于片上天线的研究也越来越广泛。然而，普通的基于PCB工艺的天线限制了天线的集成，导致了片上集成天线的提出，并成为当前研究的热点。片上天线一般是采用CMOS工艺，将天线集成于其中。然而，复杂的片上环境特别是具有较高介电常数和较低电阻率的掺杂硅基片的存在，使得普通片上集成天线的效率极其低下。本文采用人工磁导体（ArtificialMagneticConductor:AMC）技术使片上集成天线和掺杂硅基片之间产生有效的电隔离，从而获得了较高的天线辐射效率，得到了较好的片上集成天线设计。同时，本文研究的天线中心频率分别是60GHz和140GHz，在当前的天线研究中，是比较少见的。140GHz频段处于毫米波和太赫兹波（频率介于0.1~10THz，波长介于3mm~30um）频谱重合处，太赫兹是最后一个人们还未完全认知和利用的频段。随着近十几年来稳定可靠的太赫兹源被不断的开发出来，太赫兹通信的研究开始逐渐升温。相较于微波通信，太赫兹通信的容量有了极大的提升，它可以提供高达10Gb/s的通信速率。另外太赫兹波具有更好的方向性、更高的分辨率、保密性和抗干扰能力更高以及相对较短的波长所带来的天线尺寸更小和其他电路更加简单紧凑等优势。而相对于光通信，太赫兹通信具有更高的能量效率和更好的穿透性。本文先对人工磁导体结构做了比较详细的介绍，给出了蘑菇型高阻抗表面、UC-PBG和基于FSS的无金属化通孔人工磁导体的工作原理、等效传输线电路以及设计公式，在此基础上设计方形贴片、方环型和耶路撒冷十字型三款适应片上环境的人工磁导体。其次，对造成普通片上集成天线辐射效率低的原因进行了深入的研究，明确了正是由于掺杂硅基片的高介电常数和较大的厚度使得普通片上集成天线辐射的电磁能量大部分以表面波的形式存在于硅基片中，而硅基片的低电阻率又使得这部分能量大部分以热的形式耗散掉，从而造成了普通片上集成天线辐射效率低下。然后，对可用于片上集成天线设计的CMOS工艺进行了研究，获得了特定CMOS工艺每一金属层和每一介质层的电参数和厚度，这些参数对于片上集成天线的设计是至关重要的。最后，通过对加载人工磁导体结构的片上天线跟普通的片上天线进行比较，证明了人工磁导体结构在改善天线性能方面确实存在优势。为了更好的进行研究，还分析了加载不同周期数目的人工磁导体以及加载不同结构的人工磁导体对天线性能的影响。
【作者】吴琳琦；
【导师】罗国清；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】人工磁导体；片上集成天线；毫米波天线；CMOS工艺；

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