一種采用CMOS 0.18μm制造的帶EBG結(jié)構(gòu)小型化的片上天線

最近幾年，一些研發(fā)人員陸續(xù)提出了無線互連、WCAN（無線片上局域網(wǎng)）等概念。其主旨思想是利用無線通信的模式，通過自由空間有效的收發(fā)射頻或微波信號來實(shí)現(xiàn)芯片上或芯片間的信號傳輸，以達(dá)到無線互連的目的，從而代替原有的金屬互連線。該方法在一定程度上解決了現(xiàn)有金屬互連線的極限問題，同時(shí)有利于SOC（片上系統(tǒng)）的進(jìn)一步完善。

本文提出了一種新的帶EBG諧波抑制的小型化片上天線。EBC結(jié)構(gòu)的加載不僅減小天線的尺寸，同時(shí)抑制了天線的三次諧波。

1天線的設(shè)計(jì)和仿真

本文設(shè)計(jì)的帶EBG結(jié)構(gòu)的小型化片上天線采用TSMC 0.18μm的工藝仿真和制造。圖1為該工藝的剖面圖。第六層金屬（M6）用于制備本設(shè)計(jì)的天線層。該工藝硅襯底的電阻率為20Ω。cm.

1.1小型化EBG結(jié)構(gòu)

圖2為本設(shè)計(jì)采用的一維EBG的結(jié)構(gòu)圖和等效電路圖。從圖2 （b）可以看出，該EBG可以看做一個(gè)等效電感和等效邊緣電容的并聯(lián)。由于該EBC結(jié)構(gòu)是直接放存金屬地面上的，因此需要通過一對串聯(lián)的電感電容與地相連，串聯(lián)電容的大小與CMOS工藝中各介質(zhì)層的厚度及介電常數(shù)相關(guān)。當(dāng)該EBG的工作頻率在該等效電路的并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)附近時(shí)，就產(chǎn)生了帶阻特性。

圖3為仿真的該EBG結(jié)構(gòu)的S21特性，從圖中可以看出，在60 GHz附近，該EBC結(jié)構(gòu)的S21可以達(dá)到-26dB，具有帶阻特性。

1.2帶EBG結(jié)構(gòu)的片上天線

我們將圖2中的EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用到片上天線的設(shè)計(jì)中，如圖4所示。該EBG結(jié)構(gòu)加載到一根片上偶極子天線的輸入端。該一種小型化具諧波抑制功能的偶極子天線的長度為1.6mm.

圖5為本設(shè)計(jì)的片上天線對的仿真布局圖及仿真所得的S參數(shù)。一對帶EBG結(jié)構(gòu)的片上偶極子天線相距3 mm的距離相對放置在地面上。仿真所得的該天線的諧振頻率為20 CHz.通常，在硅襯底（εr=11.9）上，工作在20 GHz的普通片上半波偶極子天線長度大約為4 mm，而本次設(shè)計(jì)的天線長度僅為1.6 mm，極大的縮短了天線的尺寸。

同時(shí)，該帶EBC結(jié)構(gòu)的小型化片上天線在三次諧波附近（60 GHz），其S21為-63 dB，其三次諧波被極大的抑制。

2天線的制造及測試

圖6為本設(shè)計(jì)的芯片圖，一對間距為100μm的焊盤與天線的輸入端口連接，用于天線的S參數(shù)測試。圖7為該天線的測試環(huán)境。一對片上天線面對面的放置在探針臺上，距離為d.該測試采用兩對間距為100μm的GS探針與網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口相連接，一測試其S參數(shù)特性。