60 GHz片上天線的研究與設(shè)計.pdf

1、近年來,隨著天線小型化、集成化趨勢不斷推進,片上天線的研究越來越多的引起人們的注意。其中,基于CMOS工藝的片上天線,由于 CMOS工藝低成本和便于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點成為行業(yè)研究的熱點。另外,隨著歐美日等國相繼在60GHz附近劃分了約7 GHz的連續(xù)免允許頻譜資源,該頻段逐漸成為短距離無線傳輸?shù)难芯繜狳c,同時也有著廣泛的應(yīng)用前景,如:高清晰未壓縮視頻流的傳輸、3D無線高清游戲以及大文件快速傳輸?shù)取?br>　　本文的主要工作集中在基于標準C

2、MOS工藝采用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的60GHz片上天線的研究與設(shè)計。CMOS工藝以硅為襯底,然而硅低的電阻率(10Ω·cm)和低的電子遷移率特性很大程度上損耗了天線的電磁能量,導(dǎo)致天線的增益和輻射效率較低,無法滿足短距離無線通信的技術(shù)指標要求。AMC(Artificial Magnetic Conductor,人工磁導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)通過恰當?shù)脑O(shè)計可以實現(xiàn)理想磁壁對平面波的同相位反射特性。基于標準CMOS工藝通過在天線與硅襯底之間周期加載AMC結(jié)構(gòu),

3、將天線設(shè)計在CMOS工藝的M6金屬層將AMC結(jié)構(gòu)設(shè)計在M1金屬層,并且合理設(shè)計 AMC結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、間距以及排列形式,可以有效的提高天線的增益、輻射效率等。經(jīng)過基于有限元法的三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS的仿真優(yōu)化,當正六邊形AMC結(jié)構(gòu)單元邊長a=107um,單元間距g=45um時,在中心頻率60GHz處反射相位為0度,并且反射相位帶隙完全覆蓋60 GHz附近的約7GHz免許可頻段。通過仿真比較,改變AMC結(jié)構(gòu)單元的排列方

4、式,當增加電流方向的AMC單元個數(shù)(3×6,3×7,3×8),天線的增益和輻射效率都大幅提高;當增加垂直于電流方向的AMC單元個數(shù)(3×6,4×6,5×6),天線的增益和輻射效率變化緩慢。
　　論文的主要工作及基本結(jié)構(gòu)如下:首先介紹了60GHz片上天線的研究背景、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢;然后介紹了天線和AMC結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理、如何實現(xiàn)AMC結(jié)構(gòu)的同相位反射特性;最后設(shè)計了一種六邊形AMC結(jié)構(gòu)通過周期加載并基于標準CMOS工藝重點分析了AM