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一种采用CMOS 0.18μm制造的带EBG结构小型化的片上天线

最近几年,一些研发人员陆续提出了无线互连、WCAN(无线片上局域网)等概念。其主旨思想是利用无线通信的模式,通过自由空间有效的收发射频或微波信号来实现芯片上或芯片间的信号传输,以达到无线互连的目的,从而代替原有的金属互连线。该方法在一定程度上解决了现有金属互连线的极限问题,同时有利于SOC(片上系统)的进一步完善。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/259853.htm



本文提出了一种新的带EBG谐波抑制的小型化片上天线。EBC结构的加载不仅减小天线的尺寸,同时抑制了天线的三次谐波。



1天线的设计和仿真

本文设计的带EBG结构的小型化片上天线采用TSMC 0.18μm的工艺仿真和制造。图1为该工艺的剖面图。第六层金属(M6)用于制备本设计的天线层。该工艺硅衬底的电阻率为20Ω。cm.



1.1小型化EBG结构

图2为本设计采用的一维EBG的结构图和等效电路图。从图2 (b)可以看出,该EBG可以看做一个等效电感和等效边缘电容的并联。由于该EBC结构是直接放存金属地面上的,因此需要通过一对串联的电感电容与地相连,串联电容的大小与CMOS工艺中各介质层的厚度及介电常数相关。当该EBG的工作频率在该等效电路的并联谐振频率点附近时,就产生了带阻特性。



图3为仿真的该EBG结构的S21特性,从图中可以看出,在60 GHz附近,该EBC结构的S21可以达到-26dB,具有带阻特性。



1.2带EBG结构的片上天线

我们将图2中的EBG结构应用到片上天线的设计中,如图4所示。该EBG结构加载到一根片上偶极子天线的输入端。该一种小型化具谐波抑制功能的偶极子天线的长度为1.6mm.



图5为本设计的片上天线对的仿真布局图及仿真所得的S参数。一对带EBG结构的片上偶极子天线相距3 mm的距离相对放置在地面上。仿真所得的该天线的谐振频率为20 CHz.通常,在硅衬底(εr=11.9)上,工作在20 GHz的普通片上半波偶极子天线长度大约为4 mm,而本次设计的天线长度仅为1.6 mm,极大的缩短了天线的尺寸。



同时,该带EBC结构的小型化片上天线在三次谐波附近(60 GHz),其S21为-63 dB,其三次谐波被极大的抑制。



2天线的制造及测试

图6为本设计的芯片图,一对间距为100μm的焊盘与天线的输入端口连接,用于天线的S参数测试。图7为该天线的测试环境。一对片上天线面对面的放置在探针台上,距离为d.该测试采用两对间距为100μm的GS探针与网络分析仪的两个端口相连接,一测试其S参数特性。

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