片上天線與射頻-無線互連研究.pdf

1、隨著摩爾定律不斷地推動著集成電路工藝向前進步，芯片的特征尺寸越來越小，工作頻率越來越高，金屬互連線所占的面積越來越大，傳統(tǒng)的金屬互連線遭遇到了性能的極限問題，如互連線的延時、壓降、串擾、功耗等問題將制約集成電路的進一步發(fā)展。因此，研究并設計一系列緩解或解決互連線極限問題的互連新技術(shù)勢在必行。
　　 天線是無線通信系統(tǒng)中一個不可缺少的重要組成部分。近幾年來，人們開始研究將天線技術(shù)應用于芯片互連線的領(lǐng)域，采用無線通信系統(tǒng)的分析與設計

2、方法，用天線及無線通信方式取代傳統(tǒng)的金屬互連線，實現(xiàn)芯片內(nèi)部或者芯片之間某些功能模塊的互連，從而在一定程度上緩解金屬互連線的極限問題，此即無線互連技術(shù)。同時，也有研究采用少量傳統(tǒng)微波傳輸線(微帶線或共面波導)作為傳輸介質(zhì)，用無線通信中的各種調(diào)制解調(diào)方式，通過耦合電容上傳與下傳多路信號，從而減小傳統(tǒng)金屬線所占的面積，部分緩解傳統(tǒng)金屬線發(fā)展的一些極限問題，此即射頻互連技術(shù)。
　　 本學位論文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了射頻互連系統(tǒng)

3、的信道模型及噪聲模型，分析了該模型的信號傳輸特性及噪聲特性，以及綜合使用各種調(diào)制方式實現(xiàn)帶寬-信噪比的一個較好的均衡。同時，主要針對片上天線的小型化，高增益，低損耗，定向性等問題展開了研究，設計了各種適用于無線互連系統(tǒng)的天線。將電磁帶隙(EBG)，高阻表面(HIS)等技術(shù)應用于片上天線的設計，并實現(xiàn)了一款單頻片間無線互連收發(fā)系統(tǒng)，從而驗證了該天線的性能優(yōu)越性及無線互連系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性。具體內(nèi)容闡述如下：
　　 1、構(gòu)建并分析了射

4、頻互連系統(tǒng)的信道及噪聲模型，包括信道的信號傳輸特性，噪聲特性，包括端口反射噪聲、開關(guān)耦合噪聲和接收機熱噪聲等。根據(jù)所得到的信道信噪比特性，為了在帶寬及誤碼率之間實現(xiàn)一個較好的均衡，在不同信噪比條件下綜合使用CDMA及MPSK等分段調(diào)制方式，提高了整個射頻互連系統(tǒng)的整體性能。
　　 2、為了提高無線互連系統(tǒng)的互連性能，設計了一系列小型化，高增益，低損耗，高方向性的片上天線。采用標準0.18um CMOS工藝設計實現(xiàn)片上縫隙天線，證

5、明了在嚴格的工藝規(guī)則限制下，設計實現(xiàn)這些片上天線完全可行。采用低電阻率(10Ω·cm)的硅襯底設計實現(xiàn)片上縫隙天線，結(jié)果表明該縫隙天線比傳統(tǒng)的偶極子天線具有更高的片間傳輸增益。同時采用該工藝設計實現(xiàn)的片上折合振子天線，在減小天線所占面積的同時一定程度上提高了天線的增益。本文還設計仿真了一對片上鋸齒形定向天線，通過前后傳輸增益的比較，證明該天線具有較好的定向性，從而降低了其后向輻射，減小了對天線后向電路的影響。
　　 3、為了進一

6、步提高片上天線的傳輸增益，降低標準CMOS工藝中低電阻率硅襯底對天線增益性能的影響，本文將HIS結(jié)構(gòu)應用到片上天線的設計中，利用HIS結(jié)構(gòu)中的人工磁導體特性，增大了片上偶極子天線的同向電流，從而提高了片上偶極子天線的輻射增益，降低了低損耗硅襯底的損耗。同時，通過HIS加載片上MIM電容，進一步減小了HIS模塊的面積，從而節(jié)省了天線所占芯片面積。本文還采用EBG結(jié)構(gòu)調(diào)諧天線的輸入阻抗，在大大減小片上偶極子天線尺寸的同時還抑制了高次諧波。<