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(北京遥感设备研究所， 北京 100854)

0 引言

天线通常是一个无线通信系统中的大部件，严重制约了系统体积和面积的缩小。在毫米波频段，将电路元件与天线集成在同一片芯片衬底上，可以有效地减小天线的尺寸。由于片上天线直接与芯片电路相连，不需要经过传输线连接，使得设计变得更加灵活。片上天线还具有能大幅度节省功耗、可加工重复性好、可靠性高、结构紧凑、不易磨损等优点。片上天线可以借用最新的半导体技术进行大规模的制造和组装，随着技术的逐渐成熟，制造成本也会逐步降低。显著的优势及潜在的应用前景使得片上天线的设计成为热点，并得到了广泛关注[1-4]。

目前，片上天线的发展仍然存在一些挑战，比如低阻抗基底导致的天线电流损耗很大、增益小、片上集成导致的结构限制等。标准的CMOS工艺片上天线的增益通常很低，例如94 GHz工作频率下的微带圆形贴片片上天线的增益为-5 dBi,在天线上加介质谐振片以后可达到1.2 dBi[4]。采用漏波天线形式，可实现增益约-2.5 dBi[5]等。

本文设计了一种工作于94 GHz频段的改进型单极子天线,该天线具有宽频带工作特性，其相对中心频率95.8 GHz的相对阻抗带宽(|S11|≤ -10 dB)达到45.5%。在94 GHz频点处，辐射效率达到46%，增益约为1.35 dBi。由于半导体介质衬底不同于普通的绝缘介质材料，其特殊的电气特性对天线辐射性能会产生一定的影响。通过采用全波分析软件HFSS分析在天线金属辐射贴片结构不改变的情况下，天线衬底尺寸对天线阻抗和辐射性能的影响。该天线具有工作频带宽、辐射性能好等特性，可实现天线与IC芯片的一体化片上集成，满足宽带无线通信系统或毫米波雷达系统高集成度、小型化的应用需要。

1 片上天线设计

本文所设计的片上天线采用0.18 μm CMOS工艺，该工艺剖面结构图如图1所示，各层介质特性如表1所示。天线衬底采用低阻硅材料，其电阻率为10 Ω·cm，相对介电常数为11.9，厚度为300 μm。天线辐射部分设计在金属层M6层，该金属层厚度为4.6 μm，电导率为3.1×107S/m。

图1 CMOS工艺剖面结构图

所设计的天线采用改进的单极子结构形式，馈电采用CPW馈电结构，如图2所示。采用改进的单极子结构可以实现较宽的阻抗带宽特性。CPW馈电结构和天线辐射结构均设计在M6金属层，由于毫米波测试探针平台的G-S-G探针的针距为150 μm或250 μm，因此天线采用的CPW馈电结构满足两种探针针距的测试需要。该天线及馈电结构各部分详细尺寸如表2所示。

表1 CMOS工艺各介质层尺寸性能标准

图2 片上天线结构示意图

结构参数尺寸/μm结构参数尺寸/μmgx800gy800dx100wc1265dy150w180s15l1120w40wp200wg70lp150

2 衬底尺寸对天线性能影响分析

片上天线采用CMOS工艺，衬底采用低阻硅材料。由于低阻硅材料为半导体结构且相对介电常数较高，部分电磁能量束缚于硅衬底中，形成辐射损耗，使得仅有部分能量从天线辐射部分向外辐射，天线辐射效率较低。另外，由于边界条件效应，硅衬底中的能量从衬底的边缘辐射出来，这些能量又极大地影响了天线的辐射方向图。因此，对于片上天线而言，由于采用半导体衬底的特殊性，会导致天线辐射损耗较大，这些损耗可以归结为： 1)金属辐射体的导体损耗; 2)介质的介电损耗; 3)表面波损耗; 4)半导体基底的电阻性损耗; 5)由基底与绝缘层交接面上的载流子运动导致的界面损耗等[6]。

本节分析硅衬底对天线性能的影响，在M6金属层辐射天线和馈电结构不改变的情况下，仅改变衬底尺寸，对比5种不同衬底尺寸下对天线阻抗特性和辐射特性的影响。

图3给出了不同硅衬底尺寸下天线的阻抗特性对比。当天线硅衬底尺寸由600 μm×600 μm增大到2 400 μm×2 400 μm时，天线阻抗带宽(|S11|≤-10 dB)由31.3 GHz(95.18～126.48 GHz)提高到77.21 GHz(62.79～140 GHz)，天线阻抗匹配效果逐渐变好。

图3 不同硅衬底尺寸下天线的|S11|参数

图4给出了不同衬底尺寸下天线在94 GHz频点处的仿真方向图。由天线的方向图可以看出，天线的辐射图对称性较好，但是在天线尺寸过小或者过大时，天线的增益都有不同程度的降低。随着硅基版尺寸的加大，虽然天线阻抗匹配效果变好了，但是馈入天线的功率并没有引起增益的提高，而且当尺寸达到2 400 μm×2 400 μm时，天线在Z轴向增益出现了断崖式下降，为-16.5 dB，天线的辐射方向图发生的畸变。主辐射方向不在金属贴片的法向方向，电磁能量向XOY平面的4个方向泄漏。可能是由于硅介质的低阻特性，电流被引向衬底内，电磁能量被束缚在衬底中，一部分形成了电流损耗，一部分从衬底的边缘辐射出来。随着衬底的进一步加大，这种现象更加明显，导致辐射方向图发生畸变。

(a) H面方向图

(b) E面方向图图4 不同硅衬底尺寸下天线在94 GHz频点处E面和H面方向图

(a) 带内增益

(b) 辐射效率图5 不同硅衬底尺寸下天线的带内增益及辐射效率

硅衬底尺寸/μm带宽/GHzZ轴向增益/dB辐射效率/%600×60031.3-1.0226800×80043.61.35461000×100061.02.10531600×160077.80.03332400×240087.0-16.518

3 天线仿真性能分析

基于上述天线衬底尺寸对天线性能影响的分析可知，当天线尺寸定为800 μm×800 μm和1 000 μm×1 000 μm时，天线的阻抗带宽和Z轴向增益均有不错的表现，但是当天线处于1 000 μm×1 000 μm尺寸时，天线出现了频偏，谐振频率落在77 GHz上。综合考虑下，天线衬底尺寸选择800 μm×800 μm。该天线的阻抗特性仿真结果如图6所示。天线的仿真阻抗带宽(|S11|≤-10 dB)为74～117.6 GHz，中心频率为95.8 GHz，相对带宽为45.5%。仿真结果表明，该天线具有较宽的阻抗带宽特性。

图6 天线仿真阻抗带宽

图7给出天线在中心频点94 GHz处的仿真三维辐射方向图。本文的改进单极子天线水平放置(XOY平面)，在辐射单元下方有损耗较大的硅基衬底及金属地板结构，使得天线能量主要向+Z轴方向辐射。

图7 天线94 GHz频点处仿真3D辐射方向图

图8给出了天线在80 GHz,94 GHz以及110 GHz三个频点处的E面(YOZ平面)和H面(XOZ平面)的主极化与交叉极化方向图。该天线在80 GHz处E面的3 dB波束宽度为110°，H面3 dB波束宽度为120°；在94 GHz处E面的3 dB波束宽度为90°，H面3 dB波束宽度为130°；在110 GHz处的E面3 dB波束宽度为102°，H面3 dB波束宽度为160°。

XOZ平面

YOZ平面(a) 80 GHz

XOZ平面

YOZ平面(b) 94 GHz

XOZ-平面

YOZ平面(c) 110 GHz图8 天线仿真方向图

图9给出了该天线在工作带宽内的仿真增益特性和辐射效率。该天线在94 GHz频点处的增益为1.35 dB，效率为46.3%。在工作带宽为77～117.6 GHz内天线增益大于-2 dBi，天线效率大于25%。

图9 天线仿真增益带宽和辐射效率

4 天线性能对比

表4给出了本文设计的片上天线与已发表文献中的几种基于CMOS工艺的片上天线性能的对比。本文提出的基于0.18 μm CMOS工艺的94 GHz片上天线具有较宽的阻抗带宽以及较高的辐射增益。

表4 与部分已发表文献中的基于CMOS工艺片上天线的性能对比

5 结束语

本文设计了一种基于0.18 μm CMOS 工艺的94 GHz宽带片上天线，通过采用全波仿真软件HFSS，分析片上天线衬底不同尺寸对天线阻抗和辐射性能的影响，为天线及天线阵列设计提供分析数据。本文所设计的天线其相对阻抗带宽为45.5%，94 GHz频点处的增益为1.35 dBi。该天线具有工作频带宽、辐射性能好等特性，可实现天线与IC芯片的一体化片上集成，满足宽带无线通信系统或毫米波雷达系统高集成度、小型化的应用需要。