一种太赫兹波背腔式片载天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种太赫兹波背腔式片载天线，包括依次重叠设置的底层金属层、介质层、顶层金属层，所述顶层金属层上开设有一区域用于设置呈矩形状且其上带有缝隙的缝隙加载辐射贴片，在顶层金属层上通过走线形成的金属条的一端与缝隙加载辐射贴片垂直连接进而形成CPW馈电端，在顶层金属层外的CPW馈电端下方的底层金属层上开设矩形缝隙构成电磁带隙匹配网络，底层金属层与顶层金属层通过金属过孔连接形成一U形状的SIW谐振背腔。本发明的天线结构，使天线结构紧凑，增加天线增益，提高天线辐射效率，增加天线的阻抗带宽，满足在太赫兹波成像、太赫兹无损探测以及太赫兹通信等领域的应用要求，且与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片。
【专利说明】一种太赫兹波背腔式片载天线
【技术领域】
[0001]本发明属于电子学、毫米波、太赫兹(100GHz"10THz)【技术领域】,涉及一种片载天线，具体地讲，是涉及一种太赫兹波背腔式片载天线。
【背景技术】
[0002]近年来，太赫兹波的研究在世界范围内受到了极大的关注，开发电磁波谱中最后一个尚未得到广泛应用的波段的技术变得越来越重要。同时，随着集成电路的发展，把太赫兹收发组件集成在微小的芯片上面成为了现实。
[0003]天线，作为接收端的第一个元件和发射端的最后一个元件，都必须与电路相连接，因此为了保证最大功率传输，阻抗匹配是必不可少的环节。此外，由于天线是常规PCB上实现，金丝键合用于将它们连接到集成电路，可以极大地影响匹配，尤其是在太赫兹这么高的频段，因为这些键合线通常具有不确定性，不能保证可重复性。相比之下，片载天线可以与前级电路一次集成，缓解了上述问题。作为IC元件的阻抗(例如接收端的低噪声放大器和发射端的功率放大器)不需要匹配到50Ω。而且，协同设计的天线和电路可以确保其复杂的阻抗共轭的匹配网络，而不需要相互匹配。使用共轭匹配，两个阻抗的虚部的幅度相等但符号相反，从而节省了额外的匹配网络，节约了空间和成本，并简化设计工作。同时，集成电路芯片到天线的馈电点通过金属走线直接相连也消除了用金丝键合带来的不确定性。
[0004]然而，在现有的半导体工艺中，衬底一般具有较低的电阻率(通常ΙΟΩcm)，天线向空间辐射的能量更多的通过衬底的低电阻路径，从而导致增益下降。同时，衬底通常还具有高介电常数(εr=11.9)，导致天线的辐射功率被限制在衬底里边，而不是被辐射到自由空间，进一步降低了辐射效率。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种太赫兹波背腔式片载天线，解决现有技术中片载天线尺寸大、天线效率和增益低、天线辐射受衬底影响大的问题。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种太赫兹波背腔式片载天线，包括依次重叠设置的底层金属层、介质层、顶层金属层，所述顶层金属层上开设有一区域用于设置呈矩形状且其上带有缝隙的缝隙加载辐射贴片，在顶层金属层上通过走线形成的金属条的一端与缝隙加载辐射贴片垂直连接进而形成CPW馈电端，其另一端延伸至顶层金属层外，在顶层金属层外的CPW馈电端下方的底层金属层上开设矩形缝隙构成电磁带隙匹配网络，底层金属层与顶层金属层通过金属过孔连接形成一 U形状的SIW谐振背腔，该U形的开口端朝向CPW馈电端，缝隙加载辐射贴片该U形的开口内。其中，CPW指共面波导，SIW指基片集成波导。所述缝隙加载辐射贴片、CPW馈电端与顶层金属层之间均存在间隙。
[0007]其中，所述缝隙加载辐射贴片的矩形状和SIW谐振背腔的U形状均以该U形状的对称轴线呈轴对称。[0008]具体来讲，所述缝隙加载辐射贴片的长度约为λ /4，宽度约为3 λ /4，其中λ为天线在芯片内的工作波长。
[0009]并且，所述SIW谐振背腔的宽度为2 λ /5^3 λ /5，长度方向上与缝隙加载辐射贴片的距离约为λ/4，其中λ为天线在芯片内的工作波长。
[0010]作为优选，所述SIW谐振背腔的宽度约为λ /2。
[0011]作为优选,所述介质层由SiO2材料制成。
[0012]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
本发明设计巧妙，不仅具有结构简单紧凑、尺寸小、高效率、高增益的优点，而且增加了天线的阻抗带宽，满足在太赫兹波成像、太赫兹无损探测以及太赫兹通信等领域的应用要求，具有突出的实质性特点和显著的进步。并且，本发明与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件，具有广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图。
[0014]图2为本发明-实施例的回波损耗图。
[0015]图3为本发明-实施例的方向图。
[0016]上述附图中，附图标记对应的部件名称如下:
1-CPW馈电端，2-电磁带隙匹配网络，3-缝隙加载辐射贴片，4-缝隙，5-SIW谐振背腔，
6-底层金属层，7-顶层金属层。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
[0018]如图1示，该太赫兹波背腔式片载天线，包括由依次重叠设置的底层金属层6、介质层、顶层金属层7构成的天线本体，在该本体上设置的CPW馈电端1、电磁带隙匹配网络
2、带有缝隙4的缝隙加载辐射贴片3、SIff谐振背腔5五大部分。具体来讲:
在顶层金属层上开设相应地区域，用于设置呈金属条状的CPW馈电端I和呈矩形状的缝隙加载辐射贴片3，CPW馈电端一端与缝隙加载辐射贴片的一侧边中部垂直连接，另一端延伸至顶层金属层外，相应地，底层金属层在该端位置也略大于顶层金属层。缝隙加载辐射贴片在该区域内构成天线口径，并且和CPW馈电端共同与顶层金属层之间存在间隙。
[0019]顶层金属层和底层金属层通过金属过孔连接形成一谐振腔体，即为SIW谐振背腔5，该SIW谐振背腔呈一 U形状，U形的开口朝向CPW馈电端1，并将缝隙加载辐射贴片3及其所在区域容纳在该U形的开口内。本实施例中U形的两侧边缘紧靠上述间隙。
[0020]底层金属层为金属地，在CPW馈电端I的正下方的位置镂空一个矩形形成缺陷地，即为电磁带隙匹配网络2，其大小可以改变天线的输入阻抗，以便与前级电路进行匹配。
[0021]其中，缝隙加载辐射贴片的长度约为λ/4，宽度约为3λ/4，SIW谐振背腔的宽度约为λ/2，长度方向上与缝隙加载辐射贴片的距离约为λ/4，该λ为天线在芯片内的工作波长。
[0022]以340GHz作为工作频率，选用七层金属的0.13umBiCM0S工艺，制成顶层金属层的厚度为3um,底层金属层的厚度为0.4um,介质层优选为SiO2,其厚度为llum。所用芯片的衬底选用硅介质，相对介电常数为11.9，电阻率为ΙΟΩπι。
[0023]相应地，缝隙加载辐射贴片的长度为18(T220um，宽度为30(T400um ；SIff谐振背腔的宽度为40(T500um，长度方向上与缝隙加载辐射贴片的距离为15(T250um。
[0024]如图2和图3所示，该天线的带宽范围为335GHz_348GHz，增益为3.5dB，不仅具有结构简单紧凑、尺寸小、高效率、高增益的优点，而且增加了天线的阻抗带宽，完全满足了在太赫兹波成像、太赫兹无损探测以及太赫兹通信等领域的应用要求。
[0025]按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一致的，也应当在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种太赫兹波背腔式片载天线，包括依次重叠设置的底层金属层(6)、介质层、顶层金属层(7)，其特征在于，所述顶层金属层上开设有一区域用于设置呈矩形状且其上带有缝隙(4)的缝隙加载辐射贴片(3)，在顶层金属层上通过走线形成的金属条的一端与缝隙加载辐射贴片垂直连接进而形成CPW馈电端(I )，其另一端延伸至顶层金属层外，在顶层金属层外的CPW馈电端下方的底层金属层上开设矩形缝隙构成电磁带隙匹配网络(2)，底层金属层与顶层金属层通过金属过孔连接形成一 U形状的SIW谐振背腔(5)，该U形的开口端朝向CPW馈电端，缝隙加载辐射贴片该U形的开口内。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波背腔式片载天线，其特征在于，所述缝隙加载辐射贴片的矩形状和SIW谐振背腔的U形状均以该U形状的对称轴线呈轴对称。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波背腔式片载天线，其特征在于，所述缝隙加载辐射贴片(3)的长度为λ/4，宽度为3 λ/4，其中λ为天线在芯片内的工作波长。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波背腔式片载天线，其特征在于，所述SIW谐振背腔的宽度为2 λ/5~3 λ/5，长度方向上与缝隙加载辐射贴片的距离为λ/4，其中λ为天线在芯片内的工作波长。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹波背腔式片载天线，其特征在于，所述SIW谐振背腔的宽度为λ/2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种太赫兹波背腔式片载天线，其特征在于，所述介质层由SiO2材料制成。
【文档编号】H01Q9/04GK103762420SQ201410063908
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】邓小东, 熊永忠 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所