一種采用CMOS 0.18μm制造的帶EBG結構小型化的片上天線(xiàn)

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20Ω。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。