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基于CMOS工艺的60GHz圆形贴片式片上天线
录入时间:2017/8/4 10:43:50

基于CMOS工艺的60GHz圆形贴片式片上天线

60 GHz CMOS Circular Patch Antenna-on-Chip

Adel Barakat, Ahmed Allam and Adel B. Abdel-Rahman,

Egypt-Japan University of Science and Technology

Hala Elsadek, Electronics Research Institute

Ramesh K. Pokharel, Kyushu University

Aimeric Bisognin, University Nice-Sophia Antipolis and ST Microelectronics

Cyril Luxey, University Nice-Sophia Antipolis and Institut Universitaire de France

本文介绍了一种使用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计制造的60GHz圆形贴片式片上天线(AoC),应用于非对称人工磁导体(AMC)。对于允许的频带,AMC平面的反射系数为正,因此入射与反射波同相。AMC处于工作频率时会产生高阻抗,从而减少了面波并提高了增益。应用方形AMC能够提升圆形AoC的性能。然而,经由冗长的馈线将AoC连接到前端电路时会使得方形AMC单元产生断续,从而影响性能。应用非对称的矩形R-AMC可以成功克服这一问题。将圆形AoC与改良过后的非对称AMC一起使用,能够进一步提高增益。其成品大小仅为1715μm×710μm,具体|S11|参数、增益和辐射方向图见正文。

60GHz频段涵盖了7GHz的免授权频段,可实现高达数千兆字节/秒的数据速率,远超目前无线技术的传输能力。该频段的开发对于许多新兴技术而言意义非凡,包括无压缩高清视频流、无线游戏、互联网接口、大文件快速传输及无线个人局域网等。60GHz频段有许多优点,主要有二:一是氧分子导致的衰减高达10至15dB/km,从而在短距离上可进行频率复用;二是由于60GHz的自由空间波长仅为5mm,有助于天线实现小型化。这些属性使得60GHz系统能够很好地替代当前短距离无线系统1-3

片上系统(SoC)将天线、前端和后端电路集成在一个芯片上,是实现低成本无线通信的有效解决方案。AoC与其他电路相集成避免了额外引入天线所增加的材料成本。此外,因为不再需要50Ω的阻抗,天线匹配电路也一并去除。最后,SoC确保了整个无线系统制造过程的一步到位。为了继续降低成本,可使用CMOS工艺这种主流数字技术来实现AoC,尽管CMOS衬底具有低电阻率、高介电常数的特征,AoC的增益和辐射效率方面性能较差1-16

用于提高AoC性能的后处理设计方法包括微加工4和质子注入5。微加工通过选择性地去除AoC下CMOS衬底的损耗部分来增强性能。质子注入则是向AoC覆盖的区域释放高能离子,以提升其电阻率。即便如此,这两种技术因为属于额外的处理步骤,所以还是增加了总成本。使用AMC3,11-14进行电磁屏蔽是另一种选择。AMC的表面由介质基板上周期性排列的二维或三维结构金属贴片组成,其中心频率处的反射系数为+1,因此能够实现宽带匹配。AMC位于工作频带时,平面的尺寸造成高阻抗,导致面波传播的减弱,从而AoC的辐射效率得以提高。然而,采用对称AMC的AoC增益与有效面积的比值很低。Barakat等人3提出了一个增大比值的措施:在AoC的极化方向上增加AMC单元,并在垂直方向上限制数量。

本文提出了一种使用非对称矩形R-AMC15的方案,既能提高增益与有效面积比又不影响其他性能。此外,和对称AMC相比,非对称R-AMC对长馈线的插入损耗较小。该设计使用了ANSYS高频结构模拟器(HFSS®)进行优化,并采用Cadence Virtuoso®完成版图,最终由0.18μm CMOS技术实现。

搭载于方形AMC的圆形AoC

AMC表面的反射相位随频率变化于±180°间浮动,在谐振频率处等于零。一般认为,AMC的有效带宽位于±90°之间3。AMC的百分比带宽可由式1表示为:

其中fup及flo分别是使反射相位等于+90°和-90°的频率,fc为反射相位等于0°时的中心频率。

图1a为一个方形AMC单元3,图1b是其反射相位响应的优化仿真。由理想电边界(Perfect-E)及理想磁边界(Perfect-H)我们得到了周期性边界条件(PBC)。AMC单元采用波端口激励;表面具有反射系数(S11),可据此演算出反射相位的角度值。AMC的最优尺寸为d=260μm,g=30μm,带宽为16.5%。

1. 方形AMC的两个单元(a)、HFSS配置(b)、反射相位(c

Cohn16提出了利用方形AMC提高圆形AoC性能的方法。根据他的阐述,通过增加AMC单元在天线极化方向上的个数并减少在法向上的量,能够提高AoC的增益与有效面积比。图2a及2b展示了搭载于最优化AMC平面的圆形AoC,最优尺寸详见表1。图2c为|S11|的仿真结果,带宽为18GHz。此外,由仿真可得60GHz时增益及效率分别为-0.8dBi和22.5%,如图2d所示。

 

2. 搭载于AMC平面的圆形AoC的俯视图(a)、三维图(b)、模拟|S11|值(c)、模拟峰值增益及效率值(d

搭载于非对称R-AMC的圆形AoC

图3a描绘了自由空间中射向“Cohn方块”的TM波,其电场位于yz平面,磁场沿x方向分布。观察到方形AMC平面上,平行于y轴的边之间的电场消失,导致方形AMC退变成了一排长条形非对称R-AMC,如图3b所示17

3. TM波入射AMC平面示意图,位于yz平面的电场(a),原始AMC以及等效非对称AMCb

图4a展示了载于非对称R-AMC的圆形AoC,和方形AMC一样可以得到最优尺寸。图4b对比了圆形AoC与非对称R-AMC和方形AMC配对时|S11|的仿真结果:两者谐振频率一致,匹配性能也大致相同。图4c进一步对比了增益及效率,表现基本一致。同样的,我们从图4d可以看到,两种情况下的电场分布也几乎一样。这些观察结果表明,方形AMC和不对称R-AMC可相互替换应用于TM模天线中。

 

4. 搭载于非对称AMC平面的圆形AoC的俯视图(a)、模拟|S11|值(b)、模拟峰值增益及辐射效率(c)、方形AMC(左)和非对称R-AMC(右)的电流密度(d

搭载于改良版非对称R-AMC的圆形AoC

为了进一步提高AoC的增益与有效面积比,图5中针对不对称R-AMC平面进行了修改,移除了AoC正下方的两个单元。这种通过削减AMC单元以提高增益的方法最初是由X. Bao等人11提出的。另外,每个单元的长度限制为860μm到710μm,因为该方向上的增益性能影响可忽略不计。除此之外,如图5a所示,通过加厚贴近AoC的AMC单元,再调整AoC与改良后AMC单元的间隙“d1”和AMC单元本身之间的间隔“d2”,整体输入匹配性能有所提升。天线的|S11|仿真和峰值增益响应结果见图5b,在60GHz处具有0dBi的增益,其面积仅为1.19mm2

 

5. 搭载于非对称R-AMC平面的圆形AoC的俯视图(a)、模拟|S11|值及峰值增益(b

版图、制造及测量

图6a为搭载了改良版不对称R-AMC平面的圆形AoC的版图,馈源位置略有调整,总体大小为1715μm×710μm。图6b和6c分别是AoC芯片的成品图及相应测量装置。天线的测量由Pan等人19描述的装置进行,采用100μm的Infinity®探针,并由Cascade 101-190套件进行校准。AoC由对EM波几乎不可见的支撑泡沫架起,芯片下方放置了一块金属以解决接地问题。图6d记录了成品AoC的实际|S11|,参考仿真结果可见吻合度良好。

6. 搭载于改良版非对称R-AMC平面的圆形AoC的版图(a)、芯片实物图(b)、测量装置(c)、|S11|的模拟与测量值(d

图7a进一步比对了峰值增益响应的实际值与模拟值。鉴于成品AoC位于芯片的角落,我们在图上将其模拟增益以“无金属”标识,与测量结果进行比较。一开始,两者之间有多达4dB的出入。因为仿真环境不存在金属制品18,该差异的出现可能是因为没有考虑到附近金属、探头和探针主体的影响。图7b的仿真模型纳入了金属体的作用,探头也参照Pan等人19的建议进行了建模。图7a中的标为“有金属”的模拟峰值增益与测量结果较为接近,尤其是在小于58GHz的前半段。尚存的差值可能是由于还存在一些其他未被加入模型的金属,也可能是由于测量装置存在±0.8dB的精度误差18

7. 增益的模拟与测量值(a),HFSS模型(b

由图7b的坐标系可知E面和H面分别位于XZ及XY平面。辐射方向图如图8所示,可以看到二者的图样都存在一些扭曲,E面尤甚。

8. E面(上)和H面(下)辐射方向图,蓝色为测量值、红色为模拟值: 56GHz时(a),60GHz时(b),64GHz时(c

表2列举了本设计与其他案例的性能比较,峰值增益虽基本相当或略低,不过芯片尺寸是最小的。

 

总结

本文提出了一种非对称R-AMC设计,用于增强圆形AoC的增益并减小其尺寸。天线在60GHz时模拟峰值增益为-0.4dBi。成品采用0.18μm CMOS技术制造,总大小1.22mm2,60GHz时测得实际峰值增益为-4.3dBi。考虑到探针和AoC周围金属对性能的影响,通过对成品进行重新建模,仿真结果与实际情况的初始差异可以得到消除。在低于58GHz的频段上,测量值与模拟值基本达成一致。对于较高的频率,1.5dB量级的差值可能是由于仿真中其他一些没有考虑到的因素所导致的。辐射图的仿真与测量结果吻合良好。

参考文献

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