(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

随着多媒体设备的广泛应用，目前普遍采用的兆级(如:Wi-Fi、蓝牙等)天线传输技术已无法满足迅猛增长的千兆级应用的需求。针对此技术瓶颈和频谱资源拥挤的现实，世界主要国家相继开辟了60 GHz 附近(57 64 GHz)的约7 GHz 免许可频段[1]。由于60 GHz 频段自身的优点和广泛的应用前景，逐渐成为毫米波无线通信领域研究的热点之一，同时其高的频率和宽的频带也为射频前端电路的设计带来诸多挑战。CMOS工艺具有成本低、集成度高和便于大规模生产的优点，成为60 GHz 射频MMIC的较好选择。天线在无线通信系统中起着关键性的作用，直接影响无线信号能否完整的接收与发送。近年来，基于CMOS工艺的天线与射频前端电路的研究越来越多的引起了设计人员的注意[1]。然而，CMOS工艺衬底硅的低电阻率特性对天线辐射有较大影响。微机械加工技术和质子注入工艺等方案降低了硅衬底的损耗，提高芯片上天线的辐射效率，却减少了系统集成水平，增加了加工工艺复杂度并且提高了成本[2]。人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)结构在中心频率处具有对入射波反射系数为1的同相位反射特性。因此，考虑在天线与硅衬底之间加载具有高阻表面特性的AMC结构，这将有利于减小硅衬底的影响，提高天线的增益和辐射效率等。

1 AMC结构和片上天线的设计

由于AMC结构对不同的入射波频率呈现出不同的反射相位(-180°，+180°)，在谐振频率处反射相位为零度可实现同相位反射[3]。通常定义反射相位在±90°之间所对应的频率范围为AMC结构的反射相位带隙，此范围反射波对入射波的影响相对较小。AMC结构的百分比带宽为:

fup和flo分别为反射相位为-90°和+90°时所对应的入射波频率，fc为反射相位为零时所对应的中心频率。

AMC结构单元俯视图如图1所示，3D 图如图2所示。

图1 AMC结构单元俯视图

图2 AMC结构单元3D 图

根据D.Sienenpiper 提出的AMC结构表面波的传输特性分析方法，相邻的两个贴片(AMC 单元)之间缝隙耦合形成等效电容C，而贴片与介质形成等效电感L，由此构成了一个并联谐振回路[4]。等效电容C与等效电感L的估算公式可由保角变换理论以及经典的电磁场理论得出[5]:

式中，a为AMC 单元的边长，u为单元周期长度，g为相邻单元之间的缝隙宽度，ε1与ε2分别为结构表面上方覆盖层(一般为空气)与下方介质基板的介电常数，h为介质基板(Si 衬底层)的厚度。

估算公式只能得到AMC 单元尺寸的近似值，并且精度较低。为了精确地得到AMC 单元的反射相位图，基于电磁仿真软件HFSS 对AMC 单元参数进行优化设计，其仿真模型如图3所示。由于在垂直于波的传播方向上周期结构是无限扩展的，基于电磁场中的镜像原理，选取其中一个周期性结构，对模型施加波端口激励如图3(a)，在其左右两侧面施加理想电壁，前后侧面施加理想磁壁如图3(b)、(c)所示，这样的设置可以等效为利用垂直入射平面波激励一个周期性结构单元[6]。另外波导端口的位置应该离周期性结构至少λ/4的距离，以减小因结构不连续性产生的高次截止模对端口场分布的影响，并获取正确的传输参数。在仿真结果的后处理过程中，可利用波导端口的De-embed 功能消除附加均匀传输线产生的额外传输相移。

图3 AMC 单元优化仿真图

通过估算公式计算和电磁仿真软件HFSS 优化仿真，得到AMC结构单元尺寸优化值:a =107 μm，g=45 μm。此时AMC结构单元的反射相位如图4所示，反射相位为±90°对应的入射波频率分别为52.3 GHz和67.8 GHz，在中心频率60 GHz 处反射相位为0°，百分比带宽为25.8%。

图4 AMC结构单元的反射相位

图5 三角形单极子片上天线俯视图

三角形单极子片上天线俯视图如图5所示，基于3×6 AMC结构的片上天线整体设计3D模型如图6所示。

标准CMOS工艺由地、Si 衬底层、SiO2层和SiN层等组成，其中SiO2层包含6层金属层(从下到上依次为M1 M6)，AMC结构位于SiO2的M1层而天线位于SiO2的M6层。天线采用阻抗50 Ω的共面波导馈电。

为了研究不同排列的AMC结构单元对片上天线性能的影响，仿真并比较基于3×6，4×6，5×6，3×7，3×8 排列的AMC结构的天线性能。实现较好回波损耗和阻抗匹配的天线参数优化值如表1所示。

图6 基于3×6 AMC结构的片上天线3D模型

表1 基于不同AMC结构的天线尺寸参数

2 仿真结果分析与讨论

经过仿真优化基于3×6，4×6，5×6，3×7，3×8 排列的AMC结构的天线回波损耗仿真结果如图7所示，回波损耗小于-10 dB的频带均完全覆盖了60 GHz 附近的免许可频带(57 64 GHz)。天线的最大增益和辐射效率分别如图8、9所示，由图中可知，当增加电流流动方向的AMC 单元个数(3×6，3×7，3×8)，天线的增益和辐射效率都大幅提高，当增加垂直于电流流动方向的AMC 单元个数(3×6，4×6，5×6)，天线的增益和辐射效率变化缓慢。天线的E 面方向图如图10所示，随着AMC 排列的变化天线的方向性以及前后比变化相对较小。表2给出了天线的具体参数值。

天线的增益、方向性和尺寸往往是衡量天线性能的3个重要参数，为了更加直观地描述天线的性能，当方向图变化不大时定义天线的品质参数F(Figure-of-Merit)[3]如下:

式中，G为天线增益，S为天线面积。

图7 基于不同排列AMC的天线回波损耗

图9 基于不同排列AMC的天线辐射效率

图8 基于不同排列AMC的天线最大增益

图10 基于不同排列AMC的天线E 面辐射方向图

基于不同排列AMC结构的天线对应的品质参数F 如表2所示。与部分文献的天线F 参数比较如表3所示。

表2 基于不同排列AMC结构的天线性能

表3 天线品质参数F 比较

综合天线的增益、辐射效率、面积、方向图、回波损耗以及品质参数F 等，当增加天线电流流动方向的AMC个数，减少垂直电流流动方向的AMC个数，将获得相对较好的天线性能。

3 结束语

本文设计一种采用标准CMOS 0.18 μm 工艺的片上天线，为了减小CMOS工艺中低电阻率硅衬底对天线辐射性能的影响，设计了一种六边形的AMC结构，通过在天线和衬底之间加载六边形AMC结构，天线的增益、辐射效率等大幅提高。并分析比较了基于不同排列的AMC结构单元对片上天线性能的影响。与文献中的天线相比，本文所设计的天线在尺寸、辐射效率和增益等方面有相对较好的特性。

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