[发明专利]片上集成贴片天线

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种片上集成贴片天线。

背景技术

近年来无线通信发展迅猛。随着对低成本、宽带、高速和小型无线设备，特别是毫米波频段设备需求的日益增多，片上系统(SoC)成为解决上述要求的重要方案。现有片上系统(SoC)，系统级封装(SIP)技术已经可以将接收器射频前段、中频以及数字基带各部分电路集成在一个微型封装之中。为了实现一个完整的片上系统，片上集成天线技术成为我们需要研究的主要问题。

在毫米波频段中，60GHz十分引人关注。对于高速互联网、数据通信，特别是无线个人局域网(WPAN)应用，60GHz均是一个极佳的频带，因为它不需要使用许可，同时具有很高的频率复用率以及7GHz的连续带宽(其它不需使用许可的频带，带宽都小于0.3GHz)。同时CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)和BiCMOS技术的发展使电路和系统可以工作在毫米波频段，所需的天线尺寸也相应减小，使得片上集成天线成为可能。

然而，利用标准CMOS制造工艺对片上天线进行集成依然存在很多问题，其中最主要的就是硅材料的影响。一方面硅基较之空气(ε_r≈1)具有较高的介电常数(ε_r＝11.9)，硅基会将大部分的辐射能量约束在材料中而不是将其辐射到空间，造成天线整体辐射效率不高。另一方面，工业界常用硅片的电阻率仅为10Ω·cm左右，呈现高损耗特性，进一步恶化了辐射性能。因此，一般的天线结构由于高损耗硅基的影响，使得所实现的辐射性能均不理想，绝对增益均小于0dBi。同时，虽然通过质子注入提高硅基电阻率，添加介质透镜、采用深反应离子刻蚀DRIE法完成硅基微加工等方法可以改善辐射性能，然而工艺相对复杂会大大提高制造成本，并且与现有的标准CMOS工艺不兼容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种片上集成贴片天线，能够改善天线的辐射性能，且制作过程较为简单，成本也较低。

为了解决上述问题，本发明公开了一种片上集成贴片天线，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，所述介质层位于所述金属贴片和金属地之间。

进一步地，所述片上集成贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的馈电导体，所述金属贴片单元具有馈电端口，所述馈电导体与所述金属贴片单元连接。

进一步地，所述馈电导体通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。

进一步地，所述贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的支撑件，所述支撑件的厚度与所述馈电导体的厚度相同。

进一步地，所述支撑件通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。

进一步地，所述金属贴片单元采用铜、银或金具有良好导电性能的金属制成。

进一步地，所述金属贴片单元的厚度根据工作频率确定，大于对应的工作频率下金属的趋附深度。

进一步地，所述金属贴片单元的厚度至少为对应的工作频率下金属的趋附深度的六倍。

进一步地，所述金属贴片单元的沿X轴方向的尺寸与对应工作频率的半波长基本相等，所述金属贴片单元沿Y轴方向的尺寸通过仿真结果确定。

进一步地，所述介质层采用射频低损耗介质材料制成，所述介质层的介电常数与空气的介电常数基本相同。

进一步地，所述介质层的厚度根据天线工作带宽确定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的片上集成贴片天线通过将片上装置倒置于片外装置上，并且金属贴片单元与金属地之间通过射频低损耗介质层隔开，因为射频低损耗介质层与空气的介电常数基本相同，所以可以看成在金属贴片装置与金属地之间形成了一个腔体。此结构可以使贴片天线的能量通过倒置的金属贴片单元与金属地之间的腔体，在金属贴片单元沿X轴的最边缘两个端面产生辐射，而不是直接由辐射元中心部分向正上方空间进行辐射，避免大部分能量被片上装置的低阻硅片吸收。同时，通过设置片外装置和倒置片上装置，使介质层在金属贴片装置与金属地之间形成具有足够厚度的腔体，避免了在硅片上直接采用双层金属结构时金属间距过小、金属损耗显著的问题，使谐振能量在到达辐射端口之前具有较小的损耗。