無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不斷增長(cháng)的容量，對寬帶多媒體組件的需求不斷增加。特別是對于密集的本地通信來(lái)說(shuō)，指定給無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)絡(luò )（WPAN）的60GHz頻帶對于短距通信 具有特殊意義。這是因為在以60GHz為中心頻率的8GHz帶寬內由大氣中的氧氣引起的射頻衰減為10到15dB/km。這使60GHz頻段對于所有類(lèi)型 的短距無(wú)線(xiàn)通信具有最重大的意義。為了在60GHz無(wú)線(xiàn)電中使用射頻芯片嵌入式系統（SoC）方式，研究了整合低成本單片集成CMOS射頻前端電路的天線(xiàn)。

 

本文提出了一種60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線(xiàn)。在這種射頻芯片嵌入式天線(xiàn)的設計中采用了帶有集成微帶過(guò)孔不平衡-平衡器的平面偶極子天線(xiàn)結構。設計仿真中使用了一種 基于FEM的3-D全波EM solver—Ansoft公司的HFSS。天線(xiàn)芯片使用0.18微米CMOS工藝制造。所設計的射頻芯片嵌入式天線(xiàn)的輸入VSWR和天線(xiàn)增益晶圓上測量 使用微波探針臺實(shí)行。

 

 

圖1給出了所提的平面印制偶極子天線(xiàn)。微帶過(guò)孔不平衡-平衡器用作饋電同軸線(xiàn)和兩個(gè)印制偶極子帶之間的不平衡-平衡轉換器。偶極子帶的長(cháng)度約為1/4波 長(cháng)。微帶線(xiàn)和偶極子帶的接地面在同一個(gè)面。就像圖中指出的那樣，過(guò)孔允許一個(gè)印制偶極子帶的饋電信號（點(diǎn)2）與另一個(gè)印制偶極子帶的饋電信號（點(diǎn)1）擁有 相同的相位。因為頂層導體與微帶線(xiàn)的接地面存在180°相差，印制偶極子帶點(diǎn)2的饋電信號會(huì )與點(diǎn)1的另一個(gè)饋電信號之間存在180°相差。偶極子臂帶寬度 選取為約等于波長(cháng)的十分之一。微帶饋線(xiàn)寬面的特征阻抗設計為50 Ω。印制偶極子和集成過(guò)孔不平衡-平衡器每個(gè)部分的尺寸必須經(jīng)過(guò)精確的數值計算以獲得所需的印制天線(xiàn)性能。圖2給出了所設計的60GHz射頻芯片嵌入式偶 極子天線(xiàn)的0.18微米CMOS工藝制成芯片布線(xiàn)與切面圖。

 

 

圖3給出了HFSS仿真的天線(xiàn)電流分布。頂面和底面金屬上的仿真電流密度矢量明顯表示出了平衡電流分布和兩個(gè)印制偶極子饋電點(diǎn)上電流流動(dòng)矢量180°相位 差。這展示了集成微帶不平衡-平衡器的作用。圖4給出了一個(gè)制成60GHz CMOS射頻芯片嵌入式天線(xiàn)的芯片顯微圖。芯片尺寸為0.75 × 0.66mm，基底厚度約為500mm。圖5給出了天線(xiàn)輸入VSWR晶圓上測量值，其在55到65GHz內小于3。圖6和表1給出了60GHz天線(xiàn)仿真輻 射圖樣與H平面、E平面功率增益值。注意到，天線(xiàn)功率增益（絕對增益）Gp定義為：

 

圖1 帶有集成過(guò)孔不平衡-平衡器的平面耦極子天線(xiàn)

 

圖2 60GHzCMOS射頻芯片嵌入式天線(xiàn)芯片布線(xiàn)（a）和截面圖（b）

 

圖3 HFSS仿真圖與仿真天線(xiàn)電流分布

 

圖4 芯片顯微圖

 

圖5 仿真和實(shí)測天線(xiàn)輸入VSWR

 

表1 60GHz仿真天線(xiàn)功率增益*

 

圖6 60GHz H平面E平面仿真天線(xiàn)輻射圖樣

 

 

仿真天線(xiàn)輻射效率近似為百分之16。這可能是CMOS基底損耗造成的。H平面圖樣除了在某個(gè)特定方向存在一些衰減之外近似為全向圖樣。H平面仿真最大，最 小和平均增益分別近似為-9，-16和-11dBi。用Simons和Lee描述的技術(shù)測得晶圓上測量天線(xiàn)絕對功率增益。如圖7所示，兩個(gè)相同的射頻芯片 嵌入式天線(xiàn)面對面距離R放置。其中一個(gè)天線(xiàn)為發(fā)射天線(xiàn)，而另一個(gè)為接收天線(xiàn)。分隔兩相同天線(xiàn)的距離R應滿(mǎn)足遠場(chǎng)條件，即大于等于

 

 

這里D和λ0分別為射頻芯片嵌入式天線(xiàn)最大孔徑與工作頻率自由空間波長(cháng)。從Friis的功率傳輸公式得知，最大功率天線(xiàn)增益（在偶極子天線(xiàn)的中心前向上）由下式給出：

 

 

這里

 

Gt和Gr =發(fā)送和接收天線(xiàn)增益

 

Pt =發(fā)送功率

 

Pr =接收功率

 

同樣，因為兩天線(xiàn)相同，Gr= Gt=G。功率比Pr/Pt為由VNA得來(lái)的實(shí)測直接傳輸系數|S21|2。圖8給出了晶片上測量設置的探針臺顯微圖。60GHz實(shí)測最大天線(xiàn)功率增益約為-10dBi。這與仿真結論完美一致。表2給出了天線(xiàn)輻射特征的性能總結。

 

圖7 射頻芯片嵌入式天線(xiàn)晶片上測試的配置圖示

 

 

本文討論了一種帶有集成微帶過(guò)孔不平衡-平衡器，60GHz毫米波CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線(xiàn)的設計，制造和晶圓上測量。這是為了利用集成低成本單 片集成CMOS射頻前端電路的天線(xiàn)為60GHz無(wú)線(xiàn)電實(shí)現一種射頻芯片嵌入式系統（SoC）。天線(xiàn)芯片使用0.18微米CMOS工藝制造，芯片尺寸為 0.75 × 0.66 mm。

 

使用了基于FEM的一種3D全波EM solver—HFSS進(jìn)行設計仿真。對輸入VSWR和射頻芯片嵌入式天線(xiàn)的最大天線(xiàn)功率增益做了晶圓上測量。實(shí)測天線(xiàn)VSWR在55到65GHz之間小 于3。實(shí)測H平面輻射圖樣近似為全向圖樣，而且仿真天線(xiàn)輻射效率近似為16。這可能是CMOS基底損耗引起的。60GHz處實(shí)測天線(xiàn)功率增益約為 -10dBi，這與仿真結果很好地一致。今后將會(huì )獲得所設計的帶有60GHz CMOS射頻前端電路的60GHz射頻芯片嵌入式天線(xiàn)的集成產(chǎn)品。

 

表2 帶過(guò)孔不平衡-平衡器的60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線(xiàn)性能總結

 

圖8 探針臺晶圓測試設置

 

（來(lái)源：射頻百花潭）