论文部分内容阅读
当前,随着无线通信技术和半导体技术的发展,人们对电路集成度提出了更高的要求。然而,普通的基于PCB (Printed Circuit Board)工艺的传统集成天线限制了电路集成度的进一步提高,这导致了片上集成天线(Antenna On Chip:AOC)的提出,并成为近年来天线领域的研究热点。片上集成天线是一种采用半导体工艺(最常用的是CMOS工艺)在芯片内部直接集成天线的新的天线设计概念。然而,复杂的片上环境特别是具有较高介电常数和较低电阻率的掺杂硅基片的存在,使得普通片上集成天线的效率极其低下。本文采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor:AMC)技术使片上集成天线和掺杂硅基片之间产生有效的电隔离,从而获得了较高的天线辐射效率,得到了较好的片上集成天线设计。本文的主要工作如下：1.对可用于片上集成天线设计的CMOS工艺进行了研究,获得了特定CMOS工艺每一金属层和每一介质层的电参数和厚度,这些参数对于片上集成天线的设计是至关重要的。2.对造成普通片上集成天线辐射效率低的原因进行了深入的研究,明确了正是由于掺杂硅基片的高介电常数和较大的厚度使得普通片上集成天线辐射的电磁能量大部分以表面波的形式存在于硅基片中,而硅基片的低电阻率又使得以表面波形式存在的电磁能量大部分以热的形式耗散掉,从而造成了普通片上集成天线辐射效率低下。3.研究了可提高片上集成天线辐射效率的方法。在对已提出的片上集成天线结构和性能研究的基础上总结了以下几种可提高天线效率的方法：1)选择硅衬底的厚度远低于文献[1]中公式(12)给出的值；2)通过离子注入提高天线下方硅基片的电阻率；3)微加工去掉天线下方的硅基片；4)通过合理设计钝化层,使其兼具保护和聚焦功能；5)通过引入合适的隔离层,将天线和下方的硅基片隔离开。在比较各种改进方法的基础上指出在天线和硅基片间引入人工磁导体(AMC)是目前比较可行的改进方法。4.给出了蘑菇型高阻抗表面.UC-PBG和基于FSS的无金属化通孔人工磁导体的工作原理、等效传输线电路以及设计公式,在此基础上设计得到了方形贴片、方环型和耶路撒冷十字型三款适应片上环境的人工磁导体。结合人工磁导体的设计给出了片上偶极子和单极子天线设计,并比较了不同情况下片上偶极子和单极子的性能变化。5.在本文的最后提出了一种可用于毫米波频段的宽带微带转共面带状线巴仑(Balance to Unbalance:BALUN)电路。在芯片内部平衡和非平衡电路常常是共存的,它们之间的互连将不可避免地要用到巴仑电路。