[发明专利]一种应用于CMOS工艺的分形结构片上天线

说明书

本发明属于无线通信技术领域，提供应用于CMOS工艺的分形结构片上天线，用以解决现有毫米波频段片上天线存在的低增益、低效率的问题。本发明的片上天线具有分形结构，拥有宽带宽特性，适用于多个频段的信号传输；同时，加载于分形天线下的人工磁导体结构能够实现电磁波全反射，有助于减小电磁波在低阻高介电常数的硅衬底中的损耗，使得天线增益上升；加载于钝化层上的介质谐振器能够将电磁波向上方聚拢，不但减小了衬底的损耗，还提升了天线辐射的方向性，使得天线增益提升。综上，本发明提供一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的同时加载人工磁导体和介质谐振器的分形结构片上天线，能够显著提高天线的增益以及工作带宽。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及毫米波集成电路和片上天线技术，特别提供一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的同时加载人工磁导体和介质谐振器的分形结构片上天线。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展以及智能终端的大范围普及，低频段的资源被大量使用，这使得无线通信系统分配的频谱资源变得日益拥挤，系统容量变得日益匮乏，为了解决系统容量匮乏以及频谱资源短缺问题，研究者们将目光转向了更加广阔的毫米波段。作为收发射频信号的无源器件，天线是通信系统的核心，如何增加天线的频谱数据传输量是毫米波通信发展的重大挑战。57～64GHz是目前最热门的毫米波频段之一，适用于高带宽短距离无线通信系统；这样的高频下天线的尺寸较小，极为适合与芯片集成在一起，而CMOS工艺提供了这样一个集成的平台。

目前，将天线与芯片集成在一起的技术分为片上天线与封装天线两种，与封装天线相比，片上天线直接放置在芯片上，去除了芯片间互连线的影响，使得结构变得简单，降低了制造精度可靠性的需求，减小了集成的成本。片上天线作为毫米波频段的收发器，可以运用于成像以及短距离高频率的无线通信，但是，由于低阻抗硅衬底引入的损耗，导致现有片上天线的研究普遍存在低增益、低效率的现象，极大阻碍了片上天线的推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有毫米波频段(60GHz)片上天线存在的低增益、低效率的问题，提出了一种基于CMOS工艺的应用于毫米波频段的同时加载人工磁导体和介质谐振器的分形结构片上天线，用以提高天线的增益以及工作带宽。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：

一种应用于CMOS工艺的分形结构片上天线，包括：从下往上依次层叠的接地层1、硅衬底层2、二氧化硅层3及钝化层4；其特征在于，所述二氧化硅层3中设置有分形天线5与人工磁导体结构6，且人工磁导体结构6位于分形天线5的下方；所述钝化层4上还设置有介质谐振器7。

进一步的，所述分形天线5包括：辐射贴片8、馈线9以及GSG结构10，所述辐射贴片通过馈线连接到GSG焊盘的信号端；所述辐射贴片由共顶点设置的第五切角菱形贴片8-5、第四切角菱形贴片8-4、第二切角菱形贴片8-2、第一切角菱形贴片8-1与第三切角菱形贴片8-3沿顺时针方向依次拼接构成，每个切角菱形贴片的顶角均为72°，第五、第四、第三、第二切角菱形贴片的边长分别为第一切角菱形贴片的边长的5、4、3、2倍。

更进一步的，所述切角菱形贴片由菱形贴片沿顶角切扇形切角形成，扇形切角的圆心角为72°、且与菱形贴片的顶角重合，扇形切角的边长与菱形贴片的边长相等。

进一步的，所述人工磁导体结构6由若干个呈矩阵排列的人工磁导体单元6-1构成，且任意相邻人工磁导体单元间的间距相同。

更进一步的，所述人工磁导体单元6-1呈正方形金属环状、且四角均切相同尺寸正方形切角，所述正方形切角的边长小于金属环的环宽。

进一步的，所述介质谐振器7为矩形陶瓷介质块。

本发明的有益效果在于：通过人工磁导体结构减小损耗硅衬底对于天线辐射性能的影响，并在天线顶层加上介质谐振器，实现天线增益和带宽的提高。