基于CMOS工艺毫米波宽带片上天线

摘要：设计了一种基于0.18 μm互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工艺的94 GHz频段宽带片上天线。该天线采用改进的单极子天线形式，以实现较宽的阻抗带宽。天线馈电形式采用共面集成波导(CPW)馈电结构，该结构便于毫米波天线探针台测试系统测试。此外，通过采用全波仿真软件HFSS，对天线衬底尺寸对天线阻抗和辐射性能的影响进行对比分析。所设计的天线工作频带(| S 11 |≤-10 dB)为74～117.6 GHz，94 GHz频点处的增益为1.35 dBi。该天线具有工作频带宽、辐射性能好等特性，可实现天线与IC芯片的一体化片上集成，满足宽带无线通信系统或毫米波雷达系统高集成度、小型化的应用需要。

关键词：毫米波；硅基片上天线； 0.18 μm互补金属氧化物半导体；宽带天线

0 引言

天线通常是一个无线通信系统中的大部件，严重制约了系统体积和面积的缩小。在毫米波频段，将电路元件与天线集成在同一片芯片衬底上，可以有效地减小天线的尺寸。由于片上天线直接与芯片电路相连，不需要经过传输线连接，使得设计变得更加灵活。片上天线还具有能大幅度节省功耗、可加工重复性好、可靠性高、结构紧凑、不易磨损等优点。片上天线可以借用最新的半导体技术进行大规模的制造和组装，随着技术的逐渐成熟，制造成本也会逐步降低。显著的优势及潜在的应用前景使得片上天线的设计成为热点，并得到了广泛关注 [1-4] 。

目前，片上天线的发展仍然存在一些挑战，比如低阻抗基底导致的天线电流损耗很大、增益小、片上集成导致的结构限制等。标准的CMOS工艺片上天线的增益通常很低，例如94 GHz工作频率下的微带圆形贴片片上天线的增益为-5 dBi,在天线上加介质谐振片以后可达到1.2 dBi [4] 。采用漏波天线形式，可实现增益约-2.5 dBi [5] 等。

本文设计了一种工作于94 GHz频段的改进型单极子天线,该天线具有宽频带工作特性，其相对中心频率95.8 GHz的相对阻抗带宽(| S 11 |≤ -10 dB)达到45.5%。在94 GHz频点处，辐射效率达到46%，增益约为1.35 dBi。由于半导体介质衬底不同于普通的绝缘介质材料，其特殊的电气特性对天线辐射性能会产生一定的影响。通过采用全波分析软件HFSS分析在天线金属辐射贴片结构不改变的情况下，天线衬底尺寸对天线阻抗和辐射性能的影响。该天线具有工作频带宽、辐射性能好等特性，可实现天线与IC芯片的一体化片上集成，满足宽带无线通信系统或毫米波雷达系统高集成度、小型化的应用需要。

1 片上天线设计

本文所设计的片上天线采用0.18 μm CMOS工艺，该工艺剖面结构图如图1所示，各层介质特性如表1所示。天线衬底采用低阻硅材料，其电阻率为10 Ω·cm，相对介电常数为11.9，厚度为300 μm。天线辐射部分设计在金属层M6层，该金属层厚度为4.6 μm，电导率为3.1×10 7 S/m。

所设计的天线采用改进的单极子结构形式，馈电采用CPW馈电结构，如图2所示。采用改进的单极子结构可以实现较宽的阻抗带宽特性。CPW馈电结构和天线辐射结构均设计在M6金属层，由于毫米波测试探针平台的G-S-G探针的针距为150 μm或250 μm，因此天线采用的CPW馈电结构满足两种探针针距的测试需要。该天线及馈电结构各部分详细尺寸如表2所示。

表1 CMOS工艺各介质层尺寸性能标准

图2 片上天线结构示意图

表2 片上天线尺寸参数

2 衬底尺寸对天线性能影响分析

片上天线采用CMOS工艺，衬底采用低阻硅材料。由于低阻硅材料为半导体结构且相对介电常数较高，部分电磁能量束缚于硅衬底中，形成辐射损耗，使得仅有部分能量从天线辐射部分向外辐射，天线辐射效率较低。另外，由于边界条件效应，硅衬底中的能量从衬底的边缘辐射出来，这些能量又极大地影响了天线的辐射方向图。因此，对于片上天线而言，由于采用半导体衬底的特殊性，会导致天线辐射损耗较大，这些损耗可以归结为： 1)金属辐射体的导体损耗; 2)介质的介电损耗; 3)表面波损耗; 4)半导体基底的电阻性损耗; 5)由基底与绝缘层交接面上的载流子运动导致的界面损耗等 [6] 。

本节分析硅衬底对天线性能的影响，在M6金属层辐射天线和馈电结构不改变的情况下，仅改变衬底尺寸，对比5种不同衬底尺寸下对天线阻抗特性和辐射特性的影响。

图3给出了不同硅衬底尺寸下天线的阻抗特性对比。当天线硅衬底尺寸由600 μm×600 μm增大到2 400 μm×2 400 μm时，天线阻抗带宽(| S 11 |≤-10 dB)由31.3 GHz(95.18～126.48 GHz)提高到77.21 GHz(62.79～140 GHz)，天线阻抗匹配效果逐渐变好。

图4给出了不同衬底尺寸下天线在94 GHz频点处的仿真方向图。由天线的方向图可以看出，天线的辐射图对称性较好，但是在天线尺寸过小或者过大时，天线的增益都有不同程度的降低。随着硅基版尺寸的加大，虽然天线阻抗匹配效果变好了，但是馈入天线的功率并没有引起增益的提高，而且当尺寸达到2 400 μm×2 400 μm时，天线在Z轴向增益出现了断崖式下降，为-16.5 dB，天线的辐射方向图发生的畸变。主辐射方向不在金属贴片的法向方向，电磁能量向 XOY 平面的4个方向泄漏。可能是由于硅介质的低阻特性，电流被引向衬底内，电磁能量被束缚在衬底中，一部分形成了电流损耗，一部分从衬底的边缘辐射出来。随着衬底的进一步加大，这种现象更加明显，导致辐射方向图发生畸变。

(b) E面方向图
图4 不同硅衬底尺寸下天线在94 GHz频点处E面和H面方向图

图5给出了不同硅衬底尺寸下仿真的增益曲线和辐射效率曲线。天线的电阻由两部分组成，辐射电阻和损耗电阻，天线的效率由下式决定： η =

式中， R Σ 为辐射电阻， R d 为损耗电阻， η 为辐射效率。由天线的辐射效率图可以看出，当半导体介质的尺寸超过1 000 μm×1 000 μm时，天线的辐射效率明显下降。进入天线的能量很大部分被介质损耗掉了，说明随着半导体介质尺寸的加大，损耗电阻增大了，辐射功率变少了，也直接导致了天线增益的下降，这一点在频带增益曲线图里也体现出来了，所以衬底尺寸对天线的辐射影响非常大。表3给出了不同硅衬底尺寸对天线阻抗和辐射性能影响的对比分析。可见硅衬底对天线性能影响较大，在天线设计时应作为重要的参数进行考量。

(b) 辐射效率
图5 不同硅衬底尺寸下天线的带内增益及辐射效率

表3 不同硅衬底尺寸下天线辐射性能

3 天线仿真性能分析

基于上述天线衬底尺寸对天线性能影响的分析可知，当天线尺寸定为800 μm×800 μm和1 000 μm×1 000 μm时，天线的阻抗带宽和 Z 轴向增益均有不错的表现，但是当天线处于1 000 μm×1 000 μm尺寸时，天线出现了频偏，谐振频率落在77 GHz上。综合考虑下，天线衬底尺寸选择800 μm×800 μm。该天线的阻抗特性仿真结果如图6所示。天线的仿真阻抗带宽(| S 11 |≤-10 dB)为74～117.6 GHz，中心频率为95.8 GHz，相对带宽为45.5%。仿真结果表明，该天线具有较宽的阻抗带宽特性。

图7给出天线在中心频点94 GHz处的仿真三维辐射方向图。本文的改进单极子天线水平放置( XOY 平面)，在辐射单元下方有损耗较大的硅基衬底及金属地板结构，使得天线能量主要向+ Z 轴方向辐射。

图8给出了天线在80 GHz,94 GHz以及110 GHz三个频点处的E面( YOZ 平面)和H面( XOZ 平面)的主极化与交叉极化方向图。该天线在80 GHz处E面的3 dB波束宽度为110°，H面3 dB波束宽度为120°；在94 GHz处E面的3 dB波束宽度为90°，H面3 dB波束宽度为130°；在110 GHz处的E面3 dB波束宽度为102°，H面3 dB波束宽度为160°。

图9给出了该天线在工作带宽内的仿真增益特性和辐射效率。该天线在94 GHz频点处的增益为1.35 dB，效率为46.3%。在工作带宽为77～117.6 GHz内天线增益大于-2 dBi，天线效率大于25%。

4 天线性能对比

表4给出了本文设计的片上天线与已发表文献中的几种基于CMOS工艺的片上天线性能的对比。本文提出的基于0.18 μm CMOS工艺的94 GHz片上天线具有较宽的阻抗带宽以及较高的辐射增益。

表4 与部分已发表文献中的基于CMOS工艺片上天线的性能对比

5 结束语

本文设计了一种基于0.18 μm CMOS 工艺的94 GHz宽带片上天线，通过采用全波仿真软件HFSS，分析片上天线衬底不同尺寸对天线阻抗和辐射性能的影响，为天线及天线阵列设计提供分析数据。本文所设计的天线其相对阻抗带宽为45.5%，94 GHz频点处的增益为1.35 dBi。该天线具有工作频带宽、辐射性能好等特性，可实现天线与IC芯片的一体化片上集成，满足宽带无线通信系统或毫米波雷达系统高集成度、小型化的应用需要。

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A Millimeter - Wave Wideband On - Chip Antenna Based on CMOS Technology

Abstract : A 94 GHz wideband on-chip antenna is designed based on 0.18 μm CMOS technology. A modified monopole antenna is adopted in the design to achieve wide impedance band. In order to match the antenna test system, co-planar waveguide (CPW) is used as the feeding part. Furthermore, the influence of the substrate size on the impedance and radiation performance is analyzed by use of HFSS software. The designed antenna has an operating bandwidth from 74 GHz to 117.6 GHz and its gain is 1.35 dBi at 94 GHz. The designed antenna has wide bandwidth and good radiation performance to achieve the on-chip integration of antenna and IC chip for wireless communication and millimeter wave radar applications.

Key words : millimeter wave; on-chip antenna; 0.18 μm CMOS technology; wideband antenna

张豪男，1992年生于湖北，硕士研究生，主要研究方向为微波毫米波天线设计。

王磊男，1985年生于吉林长春，博士，高级工程师，主要研究方向为现代天线理论和技术、雷达天馈技术。

刘涓女，1968年生于陕西西安，博士，研究员，航天科工集团二院学术技术带头人，航天科工集团二院有突出贡献专家，主要研究方向为雷达天馈技术。