一种片上多频段太赫兹立体天线的制作方法

本发明属于天线结构设计领域。特别地为一种片上多频段太赫兹立体天线。

背景技术：

太赫兹(thz)一般是指频率范围为100ghz到10thz，波长范围为30μm到3mm的电磁波，在电磁波谱中介于毫米波与红外光之间。太赫兹频段作为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，一直未被充分认知和应用，因此被称为“太赫兹空隙(thzgap)”。电磁波谱中对比其它频率的电磁波，太赫兹波具有许多独特的响应特性，如瞬态性、无损性、高穿透性、低能量性等，使其作为探测技术的优势逐渐突显，并能实现真正意义上的无损探测。与传统光学方法形式的探测器相比，太赫兹电路与天线组合的探测器更加便捷、快速、稳定，可以实现探测器的小型化与便携化。

天线作为太赫兹探测器信号接受与发射的关键部分，其性能将直接影响信号接收与发射的质量。目前常见的太赫兹天线有喇叭天线、反射面天线、新材料天线和片上天线。但是太赫兹喇叭天线、反射面天线体积大、结构复杂、加工困难，很难与电路转接；新材料天线依赖新型材料的发展和加工工艺的创新，仍处于实验室研发阶段，也是未来太赫兹天线发展的一大潜力方向。随着cmos技术的飞速发展，基于cmos工艺的片上天线成为太赫兹天线设计的首选并得到广泛的应用。片上天线可以很好的解决机械式天线转接电路困难的缺点，同时体积较小、制作简单、成本较低，易于集成化和阵列化的探测器设计。矩形贴片天线结构简单，容易满足cmos工艺的设计规则，不仅可以作为单独的天线使用，还可以作为阵元设计成阵列天线。但也存在着频段单一、带宽较窄、增益较低的缺点。

技术实现要素：

基于上述现有技术的不足，本发明在此背景下，利用tsmc40nmcmos工艺多层金属的特点，将平面天线结构改为三维立体结构，将每一层都设计成结构简单的矩形辐射贴片，引出一段微带传输线连接nmos管的源极，微带馈电线连接nmos管的漏极，通过调整nmos管的栅极偏压控制nmos管是否导通。当nmos管导通时，开关闭合，即增加了一层辐射贴片，改变了天线的形状，可以得到多种不同的工作频率。该天线主要应用于太赫兹探测器芯片设计中，再与太赫兹电路集成在同一块芯片中，设计成太赫兹探测器，实现多频段探测的功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种片上多频段太赫兹立体天线，包括自上而下依次排列的多个矩形金属辐射贴片，所有的金属辐射贴片被介质包裹，且金属辐射贴片之间也填充介质；所有的金属辐射贴片中间均开有“工”形槽；每一个金属辐射贴片通过微带传输线连接一个nmos管的源极，nmos管的漏极连接微带馈电线，nmos管的栅极连接偏置电压，通过改变nmos管的栅极偏压实现开关的闭合和断开，从而控制金属辐射贴片是否连接微带馈电线，可以得到多种不同工作频率的天线，实现多频段探测。

进一步，金属辐射贴片使用tsmc40nmcmos工艺的金属层设计。

进一步，自上而下依次排列的10个矩形金属辐射贴片为m10、m9...m1，所述的tsmc40nmcmos工艺至少包括十二层介质层，从上到下依次为imd10合并层、imd9介质层、imd8介质层、imd7介质层、imd6介质层、imd5介质层、imd4介质层、imd3介质层、imd2介质层、imd1介质层、钝化层和硅衬底层；其中，imd10合并层位于金属辐射贴片m10的上层，钝化层位于金属辐射贴片m1的下层，硅衬底层位于最底层。

进一步，imd10合并层，厚度为5.275μm，相对介电常数为4.65；imd9介质层，厚度为1.59μm，相对介电常数为4.48；imd8介质层，厚度为0.74μm，相对介电常数为3.96；imd7～imd2介质层，厚度均为0.235μm，相对介电常数均为3.17；imd1介质层，厚度为0.215μm，相对介电常数为3.43；钝化层，厚度为0.5225μm，相对介电常数为4.03；硅衬底层，电阻率为10ω·cm，厚度为300μm，相对介电常数为11.9；m10金属层辐射贴片，金属厚度为3.5μm；m9金属层辐射贴片，金属厚度为0.85μm；m8金属层辐射贴片，金属厚度为0.74μm；m7～m2金属层辐射贴片，金属厚度均为0.145μm；m1金属层辐射贴片，金属厚度为0.125μm。

进一步，“工”形槽，使金属辐射贴片表面的电流沿着所设计的开槽改变，电流路径变长，能够减小天线的尺寸并改善天线的带宽和增益。

进一步，“工”形槽两端的横边a、中间的短边b和微带传输线宽度c比值为50:5:8，工形槽竖边的高度d、工形槽横边的高度e和微带传输线高度f比值为10:1:14。

本发明具有的有益效果是：

本发明属于太赫兹频段的天线结构设计领域。特别地，利用cmos工艺多层金属的特点，将平面天线结构改为三维立体结构，通过开关控制辐射贴片与微带馈电线的连接与断开，增加或减少金属辐射贴片，改变天线的形状，从而改变天线的工作频率实现多频段探测的功能。

1.通过十个nmos管作为开关控制微带传输线是否连接微带馈电线，天线可以实现多种不同的工作频率；

2.天线与电路集成在同一块芯片上设计成太赫兹探测器，实现多频段探测的功能。

3.“工”形槽，破坏原有的共振模态的电流分布，使金属辐射贴片表面的电流沿着所设计的开槽改变，电流路径变长，并且沿着缝隙的分布延长，天线的共振波长变大，即变相增加了天线的面积，天线的尺寸可以有效得到缩小；此外，在开槽的同时会引入容抗，可以抵消微带传输线线引入的部分感抗，能够对天线的带宽和增益带来极大的改善，“工”形槽的尺寸的优化由于受到非线性影响，且受到天线的回波损耗和增益结果的综合制约，本实施例中经过了大量创造性的试验优化，给出了最佳实施例为““工”形槽两端的横边a、中间的短边b和微带传输线宽度c比值为50:5:8，工形槽竖边的高度d、工形槽横边的高度e和微带传输线高度f比值为10:1:14。

附图说明

图1为本发明的工艺剖面简图；

图2为本发明的辐射贴片俯视图；

图3为本发明的多频段太赫兹立体天线结构图。

具体实施方式

本发明为一种片上多频段太赫兹立体天线设计，下面结合发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，为本发明的工艺剖面简图，从上到下一共有12层介质层，从上到下依次为imd10合并层、imd9介质层、imd8介质层、imd7介质层、imd6介质层、imd5介质层、imd4介质层、imd3介质层、imd2介质层、imd1介质层、钝化层和硅衬底层。依次为11～22，11为imd10合并层，厚度为5.275μm，相对介电常数为4.65；12为imd9介质层，厚度为1.59μm，相对介电常数为4.48；13为imd8介质层，厚度为0.74μm，相对介电常数为3.96；14～19分别为imd7～imd2介质层，厚度均为0.235μm，相对介电常数均为3.17；20为imd1介质层，厚度为0.215μm，相对介电常数为3.43；21为钝化层，厚度为0.5225μm，相对介电常数为4.03；22为硅衬底层，电阻率为10ω·cm，厚度为300μm，相对介电常数为11.9。其中，11～20介质层中均包含金属层，即1～10，也是本发明中十个辐射贴片所使用的金属层。1为m10金属层辐射贴片，金属厚度为3.5μm；2为m9金属层辐射贴片，金属厚度为0.85μm；3为m8金属层辐射贴片，金属厚度为0.74μm；4～9为m7～m2金属层辐射贴片，金属厚度均为0.145μm；10为m1金属层辐射贴片，金属厚度为0.125μm。

如图2所示，为顶层辐射贴片的俯视图，将十层不同金属均设计成矩形贴片，辐射贴片的馈电方式为微带线馈电，贴片天线通过靠近上下金属薄片边缘之间的电磁场辐射；23为辐射贴片上引入的“工”形槽，破坏天线表面原有的电流分布情况，使电流根据特定的开槽结构改变，减小天线的尺寸，改善天线的带宽和增益；24为微带传输线，起到信号传输作用，连接辐射贴片与微带馈电线。

作为本发明的一个最优实施例，如图3所示，为多频段太赫兹立体天线结构图，35为微带馈电线，连接m1～m10十层金属层辐射贴片，采用侧馈的方式进行馈电。其中n1～n10为十个nmos管作为开关，即25～34，通过调整nmos管的栅极偏压vg1～vg10分别控制十个nmos管是否导通，从而控制每一层金属辐射贴片与微带馈电线的连接与断开。具体的，调整栅极偏压vg1，nmos管n1导通，m10金属层辐射贴片通过nmos管n1的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg2，nmos管n2导通，m9金属层辐射贴片通过nmos管n2的漏极连接到微带馈电线；

进一步，调整栅极偏压vg3，nmos管n3导通，m8金属层辐射贴片通过nmos管n3的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg4，nmos管n4导通，m7金属层辐射贴片通过nmos管n4的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg5，nmos管n5导通，m6金属层辐射贴片通过nmos管n5的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg6，nmos管n6导通，m5金属层辐射贴片通过nmos管n6的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg7，nmos管n7导通，m4金属层辐射贴片通过nmos管n7的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg8，nmos管n8导通，m3金属层辐射贴片通过nmos管n8的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg9，nmos管n9导通，m2金属层辐射贴片通过nmos管n9的漏极连接到微带馈电线；进一步，调整栅极偏压vg10，nmos管n10导通，m1金属层辐射贴片通过nmos管n10的漏极连接到微带馈电线。通过改变nmos管的栅极偏压实现开关的闭合和断开，从而控制金属辐射贴片是否连接微带馈电线，可以得到多种不同工作频率的天线，实现多频段探测的功能。

综上，本发明的一种片上多频段太赫兹立体天线，该天线主要由十个辐射贴片和十个nmos管开关组成。利用tsmc40nmcmos工艺多层金属的特点，将平面天线结构改为三维立体结构，将m1-m10每一层金属都设计成结构简单的矩形辐射贴片，中间开“工”形槽，引出一段微带传输线连接nmos管的源极，微带馈电线连接nmos管的漏极，nmos管的栅极连接偏置电压。通过调整nmos管的栅极偏压，nmos管导通，即闭合一个开关，天线增加一层辐射贴片，改变了天线的形状，得到一个新的工作频率。当所有开关都闭合时，所述天线是由十层辐射贴片连接的三维立体结构，可以实现多种不同的工作频率。另外，将所述天线与太赫兹电路集成在同一块芯片，设计成太赫兹探测器，可以实现多频段探测的功能。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。