天线向自由空间辐射或从自由空间中接收电磁波的装置,射频电路能够对宽动态范围内的高频模拟信号进行处理,基带集成电路芯片被用于处理频率较低的数字信号和模拟信号。天线和射频集成电路、基带信号处理电路一起构成了一个完整的无线通信系统,通过它们之间的协同工作,无线通信系统可实现多样化的功能。在当今所处的信息化时代,无线通信设备广泛普及、随处可见,实现通信系统的便携化与多功能化具有重要意义。将天线与射频电路、基带信号处理电路芯片进行集成化封装设计,能够有效降低无线通信系统的尺寸,对于促进整个系统的小型化、便携化具有极大的推动作用。片上天线(AoC)技术是天线-芯片集成封装技术的最新解决方案,通过芯片加工工艺将天线与射频电路制作在同一芯片上,在减小设备尺寸的同时,还能显著提高天线与集成电路间的传输性能,推动通信新能的提高。将整个系统集成在同一芯片上时,全局互连将消耗大量的延迟和功耗,限制系统性能的提高。将整个系统划分成若干块芯片,再在纵向上堆叠并借助最新的TSV三维封装技术进行垂直高速互连,能有效利用有限的封装体积、显著提高系统的封装密度,进一步促进无线通信系统的小型化以及集成度和通信性能。文中进行了基于标准SMIC 0.18μm CMOS工艺片上天线及其集成化的研究与设计。首先以平面单极子天线的相关理论为基础,设计出一款平面三角形单极子天线。该天线制作在CMOS工艺顶层金属层,并采用共面波导(CPW)进行边角馈电,以减小片上传输线上的互连损耗。作为片上天线与高损耗硅衬底之间的隔离层,人工磁导体(AMC)零附加相位地反射片上天线辐射的电磁波,从而减少了进入并消耗在衬底中的电磁波,增强了天线的辐射增益。紧接着,研究了片上天线与集成电路进行单芯片集成中的相互影响,尤其是单芯片集成中互连线与天线间的耦合情况,为集成电路布局布线等提供了指导。最后,研究了带有片上天线和集成电路的芯片与其它芯片之间的集成化封装,采用垂直结构的TSV互连技术来实现天线-芯片系统内的高速互连,并利用TSV结构实现了同芯片上天线与集成电路之间的电磁隔离。文中设计的三维集成片上天线系统通过Ansoft HFSS软件进行了建模与仿真:封装体由上下两层同样尺寸的芯片构成,顶层芯片可进行片上天线与射频前端的单片集成,底层芯片为基带电路,整个天线系统的尺寸为960μm×1600μm×517.6μm,非常适合用于便携设备中;所有参数均基于标准CMOS工艺,可通过芯片加工工艺低成本、标准化、高精确、高可靠性地进行加工。仿真结果表明,片上天线的谐振频率为60GHz,阻抗带宽覆盖56 GHz到69GHz共13GHz,增益为2dBi,具有大带宽、高增益、小尺寸的优点。可以用于60GHz附近频段的高速无线数据传输,如新一代的WIFI设备、全高清视频传输设备、下一代的蓝牙和无线USB技术以及同一电路板上的无线互连等。