一種采用CMOS 0．18μm制造的帶EBG結(jié)構(gòu)小型化的片上天線

摘要：采用標(biāo)準(zhǔn)0．18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)制造了一種帶EBG(電磁帶隙)結(jié)構(gòu)的小型化片上天線。該片上天線由一根長1．6 nm的偶極子天線以及一對一維的尺寸為240μm×340μm EBG結(jié)構(gòu)構(gòu)成。分別對該EBG結(jié)構(gòu)以及片上天線的S11及S21進(jìn)行了仿真和測試，結(jié)果表明該片上天線工作在20CHz，具有小型化的性能，同時(shí)具備三次諧波抑制的功能。
關(guān)鍵詞：片上天線；CMOS；EBG

最近幾年，一些研發(fā)人員陸續(xù)提出了無線互連、WCAN(無線片上局域網(wǎng))等概念。其主旨思想是利用無線通信的模式，通過自由空間有效的收發(fā)射頻或微波信號來實(shí)現(xiàn)芯片上或芯片間的信號傳輸，以達(dá)到無線互連的目的，從而代替原有的金屬互連線。該方法在一定程度上解決了現(xiàn)有金屬互連線的極限問題，同時(shí)有利于SOC(片上系統(tǒng))的進(jìn)一步完善。
本文提出了一種新的帶EBG諧波抑制的小型化片上天線。EBC結(jié)構(gòu)的加載不僅減小天線的尺寸，同時(shí)抑制了天線的三次諧波。

1 天線的設(shè)計(jì)和仿真
本文設(shè)計(jì)的帶EBG結(jié)構(gòu)的小型化片上天線采用TSMC 0．18μm的工藝仿真和制造。圖1為該工藝的剖面圖。第六層金屬(M6)用于制備本設(shè)計(jì)的天線層。該工藝硅襯底的電阻率為20 Ω·cm。

1．1 小型化EBG結(jié)構(gòu)
圖2為本設(shè)計(jì)采用的一維EBG的結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖。從圖2 (b)可以看出，該EBG可以看做一個(gè)等效電感和等效邊緣電容的并聯(lián)。由于該EBC結(jié)構(gòu)是直接放存金屬地面上的，因此需要通過一對串聯(lián)的電感電容與地相連，串聯(lián)電容的大小與CMOS工藝中各介質(zhì)層的厚度及介電常數(shù)相關(guān)。當(dāng)該EBG的工作頻率在該等效電路的并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)附近時(shí)，就產(chǎn)生了帶阻特性。

圖3為仿真的該EBG結(jié)構(gòu)的S21特性，從圖中可以看出，在60 GHz附近，該EBC結(jié)構(gòu)的S21可以達(dá)到-26dB，具有帶阻特性。

1．2 帶EBG結(jié)構(gòu)的片上天線
我們將圖2中的EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用到片上天線的設(shè)計(jì)中，如圖4所示。該EBG結(jié)構(gòu)加載到一根片上偶極子天線的輸入端。該一種小型化具諧波抑制功能的偶極子天線的長度為1.6mm。
圖5為本設(shè)計(jì)的片上天線對的仿真布局圖及仿真所得的S參數(shù)。一對帶EBG結(jié)構(gòu)的片上偶極子天線相距3 mm的距離相對放置在地面上。仿真所得的該天線的諧振頻率為20 CHz。通常，在硅襯底(εr=11．9)上，工作在20 GHz的普通片上半波偶極子天線長度大約為4 mm，而本次設(shè)計(jì)的天線長度僅為1．6 mm，極大的縮短了天線的尺寸。

同時(shí)，該帶EBC結(jié)構(gòu)的小型化片上天線在三次諧波附近(60 GHz)，其S21為-63 dB，其三次諧波被極大的抑制。

2 天線的制造及測試
圖6為本設(shè)計(jì)的芯片圖，一對間距為100μm的焊盤與天線的輸入端口連接，用于天線的S參數(shù)測試。圖7為該天線的測試環(huán)境。一對片上天線面對面的放置在探針臺上，距離為d。該測試采用兩對間距為100μm的GS探針與網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口相連接，一測試其S參數(shù)特性。

圖8為本次設(shè)計(jì)天線測試所得的S11，從圖中可以看出，該天線工作的中心頻點(diǎn)為17 GHz，與圖5所示有所偏差，同時(shí)-10 dB的阻抗帶寬也較圖5所示有極大的提高。這是由于CMOS工藝的工藝容差造成的，特別是硅襯底的電阻率，當(dāng)其電阻率從降低到，設(shè)計(jì)所得的天線的工作頻點(diǎn)將降低，同時(shí)帶寬將會有很大提高，這主要是由于硅襯底電阻率降低帶來更大的襯底損耗以及襯底等效電阻電容的變化。

圖9為在不同距離d的條件下測試所得的S21，從圖中可以看出，隨著距離的增加，其S21下降。同時(shí)，在天線的工作頻點(diǎn)附近，其S21出現(xiàn)了一個(gè)谷底，這是由于EBG結(jié)構(gòu)的存在，降低了天線的輻射效率。

3 結(jié)束語
本文采用TSMC 0．18μm設(shè)計(jì)制造了一種帶EBG結(jié)構(gòu)的小型化片上天線。一種一維的EBG結(jié)構(gòu)加載到了一根1．6 mm長的片上偶極子天線，該結(jié)構(gòu)具有調(diào)節(jié)天線諧振頻率以及諧波抑制功能。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的天線在60 GHz具有三次諧波抑制的功能。而測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致表明，EBG結(jié)構(gòu)對天線的加載極大的縮短了天線的尺寸。該片上天線可用于無線互連或者WCAN系統(tǒng)中。