[发明专利]一种基于硅通孔的三维结构差分片上天线

说明书

本发明公开了一种基于硅通孔的三维结构差分片上天线，包括：高阻硅基板（1）、顶层二氧化硅层（2）、底层二氧化硅层（3）和金属地板（4），还包括：硅通孔（5）、差分馈线（6）、顶层金属条带（7）、底层金属条带（8）和终端短路匹配线（9）。工作时，差分射频信号通过差分馈线（6）一端的信号硅通孔（5）进入与差分馈线（6）另一端连接的顶层金属条带（7），顶层金属条带（7）与底层金属条带（8）通过硅通孔（5）连接构成双层金属条带，射频信号通过双层金属条带向外辐射。本发明实现了基于硅通孔的片上天线三维化和小型化，满足天线与芯片互联时差分馈电的需求，适用于微系统天线与功能芯片的三维堆叠高度集成应用。

技术领域

本发明涉及一种片上天线，特别是一种基于硅通孔的三维结构差分片上天线。

背景技术

目前现有的片上天线在微系统应用方面有着广泛的应用需求。这类天线一般多采用平面结构，由于天线尺寸与天线工作频段的波长相关，平面天线很难在较低的频段实现很小的体积尺寸，而且，平面天线无法满足天线与功能芯片的三维堆叠集成的需求，因此，较低频段工作的片上天线很难实现与芯片的一体化高度集成。此外，传统的片上天线多为单点馈电形式，若实现与采用差分信号引脚的芯片互联，需要通过巴伦器件。系统中引入巴伦器件一方面增大的系统成本、增加了体积；另一方面，也增加了系统内部信号链路的损耗。在《9th European Microwave Integrated Circuit Conference （EuMIC）》2014年文献中“A 60-GHz CMOS RF sub-harmonic RF transceiver front-end with integratedartificial-magnetic-conductor (AMC) on-chip Yagi-antenna and balun filter”提出了一种工作在60GHz频段的片上天线，天线加工在高阻硅基板上表面的二氧化硅层上、高阻硅基板下表面的二氧化硅层上刻蚀金属地板、辐射部分与馈电过渡部分组成，辐射部分采用八木-宇田形式，馈电过渡部分采用巴伦组件，实现天线与功能芯片的平面互联集成。文献中天线体积相对于工作频段波长较大，天线与芯片采用传统的二维平面互联且在天线与芯片间通过巴伦结构连接，空间利用率较低，且系统链路损耗较大。

硅通孔指将硅片上表面的电路通过硅通孔中所填充的金属连接至硅片背面，从而将传统的二维分布结构转变为三维立体堆叠的集成电路布局。硅通孔工艺提供了多层互连功能，使硅基结构在三维方向密度最大、外形尺寸最小。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于硅通孔的三维结构差分片上天线，解决现有平面片上天线体积大、单点馈电以及难以与功能芯片三维垂直互联的问题。

一种基于硅通孔的三维结构差分片上天线，包括：高阻硅基板、顶层二氧化硅层、底层二氧化硅层和金属地板，还包括：硅通孔、差分馈线、顶层金属条带、底层金属条带和终端短路匹配线。

基于硅通孔的三维结构差分片上天线从下至上依次为金属地板、底层金属条带、底层二氧化硅层、高阻硅基板、顶层二氧化硅层、终端短路匹配线、差分馈线和顶层金属条带。金属地板为矩形结构，置于整个片上天线的最底层。底层二氧化硅层、高阻硅基板和顶层二氧化硅层均为矩形且尺寸大于金属地板，三者依次堆叠在金属地板上。顶层金属条带置于顶层二氧化硅的上方，位于整个片上天线的最顶层。底层金属条带与金属地板位于同层，并围绕在金属地板周围，顶层金属条带与底层金属条带通过硅通孔连接。差分馈线为两根尺寸相同的金属条带，差分馈线与顶层金属条带同层，每个差分馈线的一端与信号硅通孔连接，另一端与顶层金属条带连接。终端短路匹配线与顶层金属条带同层，终端短路匹配线的一端与接地硅通孔连接，另一端与顶层金属条带连接。