一種采用CMOS 0．18μm制造的帶EBG結構小型化的片上天線(xiàn)

摘要：采用標準0．18μm CMOS工藝設計制造了一種帶EBG(電磁帶隙)結構的小型化片上天線(xiàn)。該片上天線(xiàn)由一根長(cháng)1．6 nm的偶極子天線(xiàn)以及一對一維的尺寸為240μm×340μm EBG結構構成。分別對該EBG結構以及片上天線(xiàn)的S11及S21進(jìn)行了仿真和測試，結果表明該片上天線(xiàn)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(xiàn)；CMOS；EBG

最近幾年，一些研發(fā)人員陸續提出了無(wú)線(xiàn)互連、WCAN(無(wú)線(xiàn)片上局域網(wǎng))等概念。其主旨思想是利用無(wú)線(xiàn)通信的模式，通過(guò)自由空間有效的收發(fā)射頻或微波信號來(lái)實(shí)現芯片上或芯片間的信號傳輸，以達到無(wú)線(xiàn)互連的目的，從而代替原有的金屬互連線(xiàn)。該方法在一定程度上解決了現有金屬互連線(xiàn)的極限問(wèn)題，同時(shí)有利于SOC(片上系統)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(xiàn)。EBC結構的加載不僅減小天線(xiàn)的尺寸，同時(shí)抑制了天線(xiàn)的三次諧波。

1 天線(xiàn)的設計和仿真
本文設計的帶EBG結構的小型化片上天線(xiàn)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)用于制備本設計的天線(xiàn)層。該工藝硅襯底的電阻率為20 Ω·cm。

1．1 小型化EBG結構
圖2為本設計采用的一維EBG的結構圖和等效電路圖。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結構是直接放存金屬地面上的，因此需要通過(guò)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相關(guān)。當該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結構的S21特性，從圖中可以看出，在60 GHz附近，該EBC結構的S21可以達到-26dB，具有帶阻特性。

1．2 帶EBG結構的片上天線(xiàn)
我們將圖2中的EBG結構應用到片上天線(xiàn)的設計中，如圖4所示。該EBG結構加載到一根片上偶極子天線(xiàn)的輸入端。該一種小型化具諧波抑制功能的偶極子天線(xiàn)的長(cháng)度為1.6mm。
圖5為本設計的片上天線(xiàn)對的仿真布局圖及仿真所得的S參數。一對帶EBG結構的片上偶極子天線(xiàn)相距3 mm的距離相對放置在地面上。仿真所得的該天線(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度大約為4 mm，而本次設計的天線(xiàn)長(cháng)度僅為1．6 mm，極大的縮短了天線(xiàn)的尺寸。

同時(shí)，該帶EBC結構的小型化片上天線(xiàn)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(xiàn)的制造及測試
圖6為本設計的芯片圖，一對間距為100μm的焊盤(pán)與天線(xiàn)的輸入端口連接，用于天線(xiàn)的S參數測試。圖7為該天線(xiàn)的測試環(huán)境。一對片上天線(xiàn)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參數特性。

圖8為本次設計天線(xiàn)測試所得的S11，從圖中可以看出，該天線(xiàn)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，當其電阻率從降低到，設計所得的天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)將降低，同時(shí)帶寬將會(huì )有很大提高，這主要是由于硅襯底電阻率降低帶來(lái)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(zhù)距離的增加，其S21下降。同時(shí)，在天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)附近，其S21出現了一個(gè)谷底，這是由于EBG結構的存在，降低了天線(xiàn)的輻射效率。

3 結束語(yǔ)
本文采用TSMC 0．18μm設計制造了一種帶EBG結構的小型化片上天線(xiàn)。一種一維的EBG結構加載到了一根1．6 mm長(cháng)的片上偶極子天線(xiàn)，該結構具有調節天線(xiàn)諧振頻率以及諧波抑制功能。仿真結果表明，本設計的天線(xiàn)在60 GHz具有三次諧波抑制的功能。而測試結果與仿真結果一致表明，EBG結構對天線(xiàn)的加載極大的縮短了天線(xiàn)的尺寸。該片上天線(xiàn)可用于無(wú)線(xiàn)互連或者WCAN系統中。