[发明专利]高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列

说明书

一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列，有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，并位于金属腔中，片上H形缝隙结构有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。本发明有效克服硅基集成工艺设计天线时辐射效率及增益较低的难题，损耗更小，辐射效率和增益更高。

技术领域

本发明涉及一种天线。特别是涉及一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。

背景技术

天线是收发机系统中的重要组成部分，它主要承载着发射与接收电磁波信号的功能。在毫米波及太赫兹频段，由于频率较高，天线的尺寸小，采用集成工艺加工生产片上天线易于集成，相比片外天线能够有效避免复杂的封装过程，以及互联过程中产生的损耗，因此片上天线的设计尤为重要。

目前，片上天线的设计所面临的困难主要是天线的增益和辐射效率较低，造成这种现象的原因主要分为两种情况：第一种情况，天线在集成工艺中的上层金属层制作，没有底层金属作为屏蔽的地板，由于硅衬底介电常数很大(ε_r＝11.9)，天线辐射电磁波大部分会向硅衬底的方向辐射。然而，标准的硅基集成工艺中硅衬底具有较小的电阻率(10Ω·m)，这将会产生较大的欧姆损耗，将大量的电磁能量转化为热。同时硅衬底较大的相对介电常数使电磁波在其中转化为表面波耗散。以上两种损耗是造成在顶层金属制作天线，无底层金属作为屏蔽地板情况下天线的辐射效率和增益大幅降低的主要原因。第二种情况，天线制作在集成电路工艺的顶层金属，底层金属作为屏蔽地板抑制电磁波辐射进入硅衬底。在标准硅基集成电路工艺中，最顶层和最底层金属之间的间距非常小(小于15μm)，天线辐射单元和屏蔽地板之间存在强耦合作用，减小了天线的辐射电阻，降低天线的辐射效率。因此，在设计片上天线过程中，突破硅基集成工艺的设计局限，有效减小损耗，提高片上天线的增益和辐射效率成为片上天线设计的关键问题。

介质谐振天线(Dielectric resonator antenna,DRA)已被证实可应用于片上天线设计，电磁能量通过片上结构耦合至介质谐振块，同时得益于介质谐振块低损特性，可有效改善片上天线损耗大的问题，提升片上天线效率和增益。因此，片上DRA天线的研究具有广阔前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现较高的辐射效率和增益的高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列。

本发明所采用的技术方案是：一种高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线，包括有片上H形缝隙结构和通过绝缘胶层固定在所述片上H形缝隙结构上的矩形介质谐振块，其特征在于，所述矩形介质谐振块选为TE_δ,1,3模，中心频率为300GHz，所述片上H形缝隙结构是形成在集成工艺顶层金属上，所述H形缝隙结构位于金属腔中，所述金属腔是由采用集成工艺中除集成工艺顶层金属和集成工艺底层金属以外的中间层金属及金属过孔堆叠形成，其中，所述片上H形缝隙结构包括有两条平行形成的左垂直缝隙和右垂直缝隙，所述左垂直缝隙和右垂直缝隙相对应侧分别对应形成有一个倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的水平部分连接在所对应的左垂直缝隙和右垂直缝隙的中部，所述倒L型的左侧缝隙和右侧缝隙中的垂直部分相互平行构成天线与外部结构相连的两条引出缝隙。