[发明专利]一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速无线通信、近场通信，毫米波集成电路和片上天线技术领域，特别涉及一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线的结构及其实现方法。

背景技术

无线个人局域网络（WPANs）、近场通信（NFC）、显示器无线接口、数字家庭等技术的发展，使无线通信技术步入高分辨率大容量媒体数据传输的时代，特别是毫米波无线通信技术，在移动分布式计算，无线游戏及无线高速传输超大文件等领域具有巨大市场前景。60吉赫兹频率自由空间波长只有5毫米，采用很小体积的天线就可以实现无线数据的收发，所需的天线尺寸也相应减小，同时CMOS和BiCMOS技术的发展使集成电路和系统能够在毫米波频段稳定的工作，这使得片上集成天线成为可能。因此，在单芯片上集成天线、低噪声放大器、混频器、变频器、检波器、调制器和收发器成为可能。片上天线的集成可以有效减小无线通信收发系统的体积，提高收发系统的可靠性，降低系统成本。

虽然将天线集成在芯片内可以有效的减小收发器体积，降低制作成本，但目前仍面临许多技术上的挑战，特别是采用CMOS工艺来设计和制作毫米波片上天线，需要解决诸如受限的金属形状与尺寸，金属材料电导率，硅衬底电阻率低而介电常数高等，这些因素会明显地降低片上集成天线的性能，直接影响片上集成天线的辐射效率和增益。

近年来已提出多种片上集成天线增强方法，如光子带隙、质子注入提高硅基电阻率、添加介质透镜、深反应离子刻蚀硅基微加工等，但是都以提高工艺复杂性为代价，不仅增加了制造成本，而且与CMOS工艺不兼容，不易推广应用。

目前高增益宽带片上集成天线的设计是一种挑战，人工磁导体技术的发展，为60吉赫兹和毫米波片上集成天线的发展提供了新的方向。基于CMOS工艺的片上集成天线的发展对下一代毫米波无线通信技术的发展具有重大意义。

发明内容

本发明目的是解决如何改善片上集成天线的辐射性能，特别是调整梯形辐射金属片短边尺寸能够微调天线中心工作频率的技术问题，以提高片上集成天线与激励电路的匹配，提供一种60吉赫兹梯形单极子片上集成天线与实现方法。

本发明提供的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线包括：

梯形辐射金属片、微带馈电金属线、第一矩形接地金属片、矩形信号金属片和第二矩形接地金属片；梯形辐射金属片的短边与微带馈电金属线的一端相连，微带馈电金属线的另一端与矩形信号金属片相连，矩形信号金属片作为驱动信号输入端和接收信号的输出端；所述的第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片相对独立，并利用通孔与顶层金属层下面的介质基板中集成的地平面金属片相连。

所述的介质基板由下至上依次包括硅衬底、集成的地平面金属片、人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层堆叠而成；人工磁导体下介质层、人工磁导体金属层和人工磁导体上介质层构成人工磁导体；所述集成的地平面金属片和人工磁导体金属层之间用人工磁导体下介质层隔开。

所述的单极子片上集成天线采用传统的CMOS工艺实现。

所述的梯形辐射金属片采用平面梯形形状，其短边的尺寸根据片上集成天线的中心工作频率和与激励电路的匹配参数来确定。本发明所述的梯形辐射金属片的高度为140微米，长边为150微米，短边为100微米；微带馈电金属线的长度为225微米，宽度为10微米；第一矩形接地金属片和第二矩形接地金属片是边长为50微米的正方形，矩形信号金属片是边长为40微米的正方形，或边长为40微米×20微米的长方形。

所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线中心工作频率在60吉赫兹时，具有10吉赫兹带宽。

所述的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线采用传统的CMOS工艺实现。

所述制备地平面金属片的金属层用CMOS工艺的第一层金属层制作。

本发明提供的60吉赫兹梯形单极子片上集成天线的制作，依次经过下述步骤：

第一、在磷硅玻璃工艺基础上，采用电子束蒸发或溅射的方法，在硅片上沉积一层铝、铝硅合金或铝硅铜合金制作完成CMOS工艺的第一金属层；

第二、利用CMOS工艺的光刻方法，在第一金属层制作集成的地平面金属片；

第三、在第一金属层上面，利用化学气相沉积方法，制作二氧化硅绝缘层，作为人工磁导体的下介质层；

第四、退火，在二氧化硅绝缘层上面，沉积铝、铝硅合金或铝硅铜合金制作第二金属层，作为人工磁导体金属层；

第五、通过CMOS工艺的光刻方法，在第二金属层制作人工磁导体的井字型开孔金属片；