三維集成60GHz片上天線設(shè)計.pdf

1、天線向自由空間輻射或從自由空間中接收電磁波的裝置，射頻電路能夠?qū)拕討B(tài)范圍內(nèi)的高頻模擬信號進行處理，基帶集成電路芯片被用于處理頻率較低的數(shù)字信號和模擬信號。天線和射頻集成電路、基帶信號處理電路一起構(gòu)成了一個完整的無線通信系統(tǒng)，通過它們之間的協(xié)同工作，無線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)多樣化的功能。在當(dāng)今所處的信息化時代，無線通信設(shè)備廣泛普及、隨處可見，實現(xiàn)通信系統(tǒng)的便攜化與多功能化具有重要意義。將天線與射頻電路、基帶信號處理電路芯片進行集成化封裝設(shè)計，

2、能夠有效降低無線通信系統(tǒng)的尺寸，對于促進整個系統(tǒng)的小型化、便攜化具有極大的推動作用。片上天線(AoC)技術(shù)是天線-芯片集成封裝技術(shù)的最新解決方案，通過芯片加工工藝將天線與射頻電路制作在同一芯片上，在減小設(shè)備尺寸的同時，還能顯著提高天線與集成電路間的傳輸性能，推動通信新能的提高。將整個系統(tǒng)集成在同一芯片上時，全局互連將消耗大量的延遲和功耗，限制系統(tǒng)性能的提高。將整個系統(tǒng)劃分成若干塊芯片，再在縱向上堆疊并借助最新的TSV三維封裝技術(shù)進行垂直

3、高速互連，能有效利用有限的封裝體積、顯著提高系統(tǒng)的封裝密度，進一步促進無線通信系統(tǒng)的小型化以及集成度和通信性能。
　　本文進行了基于標準SMIC0.18μm CMOS工藝片上天線及其集成化的研究與設(shè)計。首先以平面單極子天線的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計出一款平面三角形單極子天線。該天線制作在 CMOS工藝頂層金屬層，并采用共面波導(dǎo)(CPW)進行邊角饋電，以減小片上傳輸線上的互連損耗。作為片上天線與高損耗硅襯底之間的隔離層，人工磁導(dǎo)體(AM

4、C)零附加相位地反射片上天線輻射的電磁波，從而減少了進入并消耗在襯底中的電磁波，增強了天線的輻射增益。緊接著，研究了片上天線與集成電路進行單芯片集成中的相互影響，尤其是單芯片集成中互連線與天線間的耦合情況，為集成電路布局布線等提供了指導(dǎo)。最后，研究了帶有片上天線和集成電路的芯片與其它芯片之間的集成化封裝，采用垂直結(jié)構(gòu)的TSV互連技術(shù)來實現(xiàn)天線-芯片系統(tǒng)內(nèi)的高速互連，并利用TSV結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了同芯片上天線與集成電路之間的電磁隔離。設(shè)計的三維集

5、成片上天線系統(tǒng)通過Ansoft HFSS軟件進行了建模與仿真：封裝體由上下兩層同樣尺寸的芯片構(gòu)成，頂層芯片可進行片上天線與射頻前端的單片集成，底層芯片為基帶電路，整個天線系統(tǒng)的尺寸為960μm×1600μm×517.6μm，非常適合用于便攜設(shè)備中；所有參數(shù)均基于標準CMOS工藝，可通過芯片加工工藝低成本、標準化、高精確、高可靠性地進行加工。仿真結(jié)果表明，片上天線的諧振頻率為60GHz，阻抗帶寬覆蓋56 GHz到69GHz共13GHz，增