[实用新型]一种基于人工磁导体结构的60GHz片上天线

说明书

技术领域

本实用新型属于天线技术与无线通信领域，涉及一种基于人工磁导体结构的60 GHz片上天线。 

背景技术

人工磁导体即AMC（Artificial Magnetic Conductor）结构，是超材料的一种，具有理想磁导体的相似属性，通过合理的设计可以实现某一频点对垂直入射平面波的同相位反射特性。 

基于CMOS工艺的60 GHz片上天线，由于CMOS工艺低成本和便于大规模生产的优点以及60 GHz频谱的诸多优势，逐渐成为短距离无线通信的研究热点。CMOS工艺以硅为衬底，硅低的电阻率（10 Ω·cm）和低的电子迁移率特性很大程度上损耗了天线的电磁能量，导致天线的增益和辐射效率较低，无法满足短距离无线通信的技术指标要求。 

为了减小CMOS工艺硅衬底对片上天线性能的影响， AMC结构成为一种较好的选择。将片上天线设计在CMOS工艺结构SiO₂层的M6金属层，将AMC结构周期加载于片上天线和硅衬底层之间的M1金属层。通过AMC结构的合理设计可以实现对垂直入射平面波的同相位反射特性，从而将更多的电磁能量辐射向自由空间，提高片上天线的增益和辐射效率等。 

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种基于人工磁导体结构的60 GHz片上天线。本实用新型基于标准CMOS 0.18um工艺采用正六边形AMC结构周期加载于三角形单极子天线和硅衬底层之间，三角形单极子天线采用50Ω共面波导（CPW，Coplanar wave guide）馈电。 

本实用新型采用的技术方案是： 

本实用新型包括由下到上的硅衬底层、SiO₂层、SiN层，其特征在于：SiO₂层包含六层金属层，从下到上依次为M1～M6层，三角形单极子天线位于SiO₂层的M6金属层，周期加载的基于CMOS工艺的正六边形人工磁导体结构位于SiO₂层的M1金属层，三角形单极子天线采用50Ω共面波导馈电。

本实用新型具有的有益效果是： 

本实用新型中的正六边形AMC结构，能够满足60 GHz时对垂直入射波反射相位为零，并且反射相位带隙完全覆盖60 GHz附近的约7 GHz（57～64 GHz）免许可频段，同时可以有效的提高片上天线的增益和辐射效率等。当周期加载3×6 AMC结构时，片上天线回波损耗小于-10 dB的带宽为（53.6～70 GHz），60 GHz时最大增益为-1.2 dB，辐射效率为29.2%。并且当增加电流流动方向的AMC单元个数（3×6, 3×7, 3×8），天线的最大增益和辐射效率都大幅提高，当增加垂直于电流流动方向的AMC单元个数（3×6, 4×6, 5×6），天线的最大增益和辐射效率变化缓慢。

附图说明

附图1为基于CMOS工艺的正六边形AMC结构单元3D图； 

附图2为多个正六边形AMC结构单元俯视图；

附图3为正六边形AMC结构单元反射相位图；

附图4为基于CMOS工艺采用3×6周期加载正六边形AMC结构的片上天线3D结构图；

附图5为周期加载不同排列AMC结构的片上天线回波损耗；

附图6为周期加载不同排列AMC结构的片上天线输入阻抗。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 

图1为基于CMOS工艺的正六边形AMC结构单元3D图，通过采用分析周期加载结构的波导传输法和三维电磁仿真软件Ansoft HFSS的仿真设计，可以等效为利用垂直入射平面波激励一个周期性结构单元。通过改变正六边形AMC结构单元边长a和单元间缝隙宽度g，可以得到图3所示的正六边形AMC结构单元反射相位图，此时a=107 um，g=45 um，反射相位为±90^o对应的频率分别为52.3 GHz和67.8 GHz，反射相位带隙完全覆盖60 GHz附近的约7 GHz（57～64 GHz）免许可频段。图2为多个正六边形AMC结构单元组合的俯视图，其中a为正六边形AMC结构单元的边长，g为正六边形AMC结构单元间缝隙宽度，u为相邻两个AMC结构单元中心距离。