[发明专利]利用互补金属氧化物半导体技术的天线系统

说明书

每一个无线通信设备都有某种形式或结构的天线。天线被设计成以所需特性发射电磁信号，这些特性包括辐射方向、覆盖区、发射强度、波束宽度和旁瓣。天线有许多类型。每种类型一般都有导电金属结构，例如导线或金属表面，用来辐射和接收电磁能量。天线的常见类型包括偶极子天线、环形天线、阵列天线、贴片天线、连接到波导的锥形喇叭天线、毫米波微带天线、共面波导天线、开槽线天线和印刷天线。

可以在微波集成电路(MIC)或者单片微波集成电路(MMIC)中集成天线。这种集成天线将传输线和波导用作基本构件。常规集成天线是在单层基底上形成的，或者是在陶瓷和叠层上，或者是在砷化镓(GaAs)单片集成电路结构上。用于这些应用的传输线使用微带线或者共面波导(CPW)，因为它们容易制造并且与有源和离散元件集成。

可以为微波电磁频谱的大量应用设计毫米波微带天线。毫米波微带天线工作在从30GHz到300GHz的电磁频谱范围内，这个频率范围与10mm到1mm的波长相对应。这些天线的应用包括个人区域联网(PAN)、宽带无线联网、无线便携式设备、无线计算机、服务器、工作站、膝上型电脑、超膝上型电脑(ultra-laptops)、手持计算机、电话、蜂窝电话、寻呼机、对讲机、路由器、交换机、桥、集线器、网关、无线接入点(WAP)、个人数字助理(PDA)、电视、运动图像专家组第3层音频设备(MP3播放器)、全球定位系统(GPS)设备、电子钱包、光学字符识别(OCR)扫描仪、医疗设备、照相机等等。

附图说明

图1说明天线系统100的一个实施例；

图2是系统100一个实施例的各层放大视图；

图3说明CMOS半导体垂直切片的一个实施例；

图4A～4C是微带天线系统400一个实施例的侧视、顶视和正视剖面图；

图5A～5C是共面波导天线系统500一个实施例的侧视、顶视和正视剖面图；

图6A～6C是开槽线天线系统600一个实施例的侧视、顶视和正视剖面图；

图7是系统700一个实施例的框图；以及

图8说明形成具有天线系统100、400、500和600的CMOS半导体的一种方法的一个实施例。

具体实施方式

图1说明天线系统100的一个实施例。在一个实施例中，天线系统100可以是例如多个N单元毫米波(mmWave)无源天线系统。在一个实施例中，天线系统100可以用标准的互补型金属氧化物半导体(CMOS)制造和金属化工艺实现。在一个实施例中，系统100利用例如与超大规模集成电路(VLSI)CMOS工艺有关的制造技术提供毫米波集成电路(IC)通信系统，这种工艺用于形成金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。在一个实施例中，天线系统100可以形成例如一个或多个金属化层，例如金属层110和金属层120等等。可以在金属层110上形成电磁射频(RF)导体，这些导体形成与毫米波频率(波长)对应的传输线112。根据天线系统100的具体实现方式，还可以在金属层110上或者在金属层110以下一个或多个其它金属层上形成用于信号/模场线终接的有关接地面。一些实现方式可能不需要接地面114，例如采用开槽线传输线的一些实现方式。例如，传输线112可以形成微带线、带线、共面波导和/或开槽线传输线和/或馈线等等。在一个实施例中，天线系统100可以包括在金属层120上形成的辐射单元122。在一个实施例中，金属层120可以是一个顶部金属层，位于金属层110和传输线112以上。例如，在一个实施例中，辐射单元122可以作为突起的金属“哑填充”用标准CMOS制造工艺形成。辐射单元122可以形成一个阵列来实现毫米波天线系统。如同在放大图2(图2)中更加详细地说明的一样，辐射单元122可以通过互感耦合、电场耦合或磁场耦合与传输线112耦合。利用通过激励金属层110上的传输线112(例如共面波导带线)产生的横电磁(TEM)模，可以在辐射单元122和传输线112之间耦合射频能量，在一个实施例中，其中的金属层110可以比金属层120低一个金属层。在一个实施例中，金属层110可以例如比金属层120低大约10微米。在一个实施例中，可以这样来形成辐射单元122，其尺寸与金属层110、120的导电性能以及材料损耗正切和基底电介质相匹配，来获得定向天线系统，用于毫米波频率(波长)的信号发射。