[发明专利]基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法

说明书

本发明提出了一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，其包括如下步骤：计算单极子天线的结构参量；计算人工磁导体单元结构参量；计算介质谐振器结构参量；人工磁导体单元的优化；对人工磁导体的阵列进行加载并对其进行优化；单极子天线结构参量优化；调节介质谐振器的结构参量，使介质谐振器的本征频率达到工作频率，对介质谐振器进行加载，判断天线工作频率和增益是否满足要求，若满足，获得加载人工磁导体和介质谐振器的片上天线结构，否则，调节介质谐振器与单极子天线在有效长度L_eff上的距离，使天线工作频率和增益满足要求。本发明中片上天线实现了1.74dB的增益和60.01％的辐射效率。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体的说是涉及一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法。可应用于CMOS工艺片上天线结构的设计方法。

背景技术

随着无线通信市场的迅速成长，毫米波技术得到广泛的应用，基于CMOS工艺的片上集成天线，具有体积小、易于与射频前端电路集成等优点。人工磁导体即AMC(ArtificialMagnetic Conductor)结构，是超材料的一种，它们可以代替理想导体(PEC)面作为低轮廓天线并且可以增强天线性能。人工磁导体结构就是在硅衬底与功能电路层之间加入一个隔离层，降低硅衬底对高频电磁波的损耗。其隔离作用是由于人工磁导体的反射相位带隙特性，当入射波频率接近人工磁导体结构的谐振频率时，人工磁导体结构的表面阻抗很高，因此平面波入射到人工磁导体表面时其反射波与入射波相位差为0，当入射的电磁波频率使人工磁导体表面阻抗等于自由空间阻抗时，入射波与反射波的相位差为±90°，设计人工磁导体结构，使其入射波与反射波的相位差在±90°之间就可以实现对入射电磁波的隔离。

然而基于CMOS工艺的片上天线，由于CMOS工艺中的硅衬底具有较高的介电常数和电导率，严重影响了片上天线的辐射能量，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。目前，对于基于CMOS工艺的片上天线并没有系统的设计方法。利用电磁数值技术进行仿真并根据仿真结果调整片上天线的结构参量，再重新计算和仿真调整，如此步骤反复多次，而且得到的片上天线增益和辐射效率较低。

例如，K.s.sultan，H.H.Abdullah等在其发表的“A 60-GHz Gain EnhancedVivaldi Antenna On-Chip”(IEEE International Symposium on Antennas andPropagationUSNC/URSI National Radio Science Meeting，2018)，论文中提出了一种片上开槽天线的设计方法，这种方法通过在天线辐射贴片边缘开槽插入寄生元件，并将反射器加载于平面天线，从而在不改变CMOS工艺传统结构的前提下实现了0.7dBi的天线增益和37％的辐射效率。但是，这种方法对天线辐射贴片边缘开槽的加工工艺要求较高，该方法天线增益和辐射效率较低。

例如，B.B.Adela，P.van Zeijl等在其发表的“On-Chip antenna integrationfor single-chip millimeter-wave FMCW radars”(9th European Conference onAntennas and Propagation，2015)中提出了一种PCB封装片上天线的设计方法，利用封装的PCB环境降低片上天线的反向辐射功率，从而改善片上天线的增益和效率，实现了41％的辐射效率。但是，这种方法限定了片上天线的制作环境，改变了传统CMOS工艺结构，且天线辐射效率较低。

综上所述，现有的片上天线设计方法存在天线增益和辐射效率较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，以克服现有技术中片上天线设计中存在的天线增益和辐射效率较低等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：