一种双极化毫米波片上天线

本发明涉及天线，尤其涉及一种双极化毫米波片上天线。

背景技术：

1、随着半导体行业在过去二十多年的迅猛发展使得晶体管、集成电路和芯片工艺方面取得了重大的技术创新，高速发展的无线通信对集成电路系统多元化需求使得高性能小型化数模电路以及射频系统变得尤为重要。在现有的无线系统研究中，系统级芯片成为研究的一个热点方向，系统级芯片将无线系统中的所有模块全部集成在一个芯片上，包括数字微处理器内核、模拟混合信号、射频前端和天线。相比于传统的多芯片模块的集成方法以及封装级系统,系统级芯片具有很多优势，例如减少片外互连线影响以及减轻制造工艺复杂度。

2、天线作为无线系统中接收发射信号的模块，是系统级芯片中必不可少的一环，集成在芯片上的天线称为片上天线。片上天线在芯片上的实现与板级天线相比具有如下很多优势：(1)片上天线一般通过工艺中最厚的顶层金属设计实现，与射频前端电路通过垂直结构的金属层间过孔连接，不需要片外互连线与电路部分连接，降低了制造难度和制造成本，同时消除了片外互连线寄生损耗，有利于提高系统带宽。(2)片上天线与射频电路的设计方式相同，可以与射频前端实现共轭匹配，减少了电路复杂度，缩短无线系统设计周期。但是，在片上天线设计过程中也有很多阻碍。例如，现在的片上天线所用的主流芯片工艺为cmos工艺，而大多数cmos工艺采用的硅衬底具有高介电常数和低电阻率特点，这种材料具有较低的成本，适合进行射频前端电路部分设计。但是在片上天线的设计过程中天线所使用的金属层与衬底之间的距离很小，低阻抗、高介电常数的硅衬底使得天线辐射的能量大部分向下聚集，因此现有片上天线的增益普遍较低，这也是目前对于片上天线研究的主要方向和热点。

3、由于无线通信业务的广泛发展，微波频谱资源变得越来越紧张，通信系统间的各种干扰也越加变大。为解决不断增长的无线通信应用需求与日益增长的频谱资源之间的矛盾，研究者都在寻找一种最优的能够有效利用频谱资源的方法。全双工技术可以在同一时刻，采用相同载波频率进行发射和接收信号，与现有的双工通信方式相比，能够使无线频谱资源的利用率提升一倍。采用全双工架构的发射机会对接收机产生强干扰信号泄露，能否有效的抑制自干扰成为全双工能否成倍提高频率利用率的关键因素。

技术实现思路

1、发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可以抑制自干扰且增益更高的双极化毫米波片上天线。

2、技术方案：本发明所述的双极化毫米波片上天线，包括自下而上依次叠层的金属接地层、硅衬底层和金属片上天线层，所述金属片上天线层包括金属接地共面层、金属板层、金属中心贴片、第一接地共面波导传输线、第二接地共面波导传输线、第三接地共面波导传输线和耦合微带线巴伦，所述金属接地共面层和金属板层共中心，且中心部分都设有中心镂空，所述金属接地共面层叠放在所述硅衬底层上，所述金属板层叠放在所述金属接地共面层上，所述金属中心贴片位于所述金属板层的中心镂空处，并与所述金属中心贴片之间设有缝隙，所述第一接地共面波导传输线一端连接所述金属中心贴片，另一端作为天线发射端口，所述第二接地共面波导传输线一端连接所述金属中心贴片，另一端连接耦合微带线巴伦的第一输入端，所述第三接地共面波导传输线一端连接所述金属中心贴片，另一端连接耦合微带线巴伦的第二输入端，所述耦合微带线巴伦的第一输出端和第二输出端分别作为天线第一接收端口和天线第二接收端口，所述天线第一接收端口和天线第二接收端口相邻设置且都位于所述天线发射端口对侧。

3、进一步的，所述金属片上天线层还包括金属隔离墙，所述金属隔离墙围绕所述金属板层的外围设置一圈，并与所述金属板层分别在天线第一接收端口、天线第二接收端口、所述天线发射端口处相连接。

4、进一步的，所述金属板层上还设有第一镂空、第二镂空、第三镂空和第四镂空，所述第一镂空与所述第一接地共面波导传输线形状匹配，用于放置所述第一接地共面波导传输线，所述第二镂空与所述第二接地共面波导传输线形状匹配，用于放置所述第二接地共面波导传输线，所述第三镂空与所述第三接地共面波导传输线形状匹配，用于放置所述第三接地共面波导传输线，所述第四镂空与所述耦合微带线巴伦形状匹配，用于放置所述耦合微带线巴伦，且所述第一接地共面波导传输线、所述第二接地共面波导传输线、第三接地共面波导传输线和耦合微带线巴伦均与金属板层之间设有间隙。

5、进一步的，所述金属板层外围为正方形，内部为八边形的中心镂空，所述缝隙为八边形，周长为一个天线介质波长。

6、进一步的，所述金属中心贴片为八边形，正对所述天线发射端口的第一水平侧边连接所述第一接地共面波导传输线，位于第一水平侧边的两个竖直侧边分别连接第二接地共面波导传输线和第三接地共面波导传输线。

7、进一步的，所述金属中心贴片上与所述第一接地共面波导传输线的连接点处开设有第一镂空槽，所述金属中心贴片上与所述第二接地共面波导传输线的连接点处开设有第二镂空槽，所述金属中心贴片上与所述第三接地共面波导传输线的连接点处开设有第三镂空槽，所述金属中心贴片上与所述第一镂空槽对侧的位置设有第四镂空槽，所述第一镂空槽、第二镂空槽、第三镂空槽和第四镂空槽均为回形纹。

8、进一步的，所述耦合微带线巴伦包括直线微带线、第一l形微带线和第二l形微带线，所述直线微带线、第一l形微带线和第二l形微带线形成╩形结构，所述直线微带线两端分别连接第二接地共面波导传输线、第三接地共面波导传输线，所述第一l形微带线一端通过金属过孔连接金属接地共面层，另一端作为耦合微带线巴伦的第一输出端，所述第二l形微带线一端通过金属过孔连接金属接地共面层，另一端作为耦合微带线巴伦的第二输出端。

9、进一步的，所述金属接地共面层外层为正方环形，内层为正方形，外层的正方环形和内层的正方形在天线发射端口、天线第一接收端口和天线第二接收端口处连接，外层的正方环形位于所述金属隔离墙下方，内层正方形分别在所述第一接地共面波导传输线、所述第二接地共面波导传输线、第三接地共面波导传输线和耦合微带线巴伦的正下方设置有周期排列的栅条。

10、进一步的，所述金属板层由若干层金属层堆叠而成，所述金属中心贴片与所述金属板层的最顶层金属层厚度相同且共面。

11、进一步的，所述金属隔离墙由若干层金属层堆叠而成，且厚度与所述金属板层厚度相同。

12、本发明与现有技术相比，其有益效果是：

13、1)本发明天线结构主要部分(金属中心贴片和接地共面波导传输线)与硅衬底相隔较远，能够减少天线与硅衬底层之间形成的电流回路损耗和表面波损耗，提升天线的性能；

14、2)最底层金属接地层可以实现反射天线向下辐射的能量提高增益和效率，实现片上天线低剖面、高增益等优点；

15、3)本发明收、发天线极化相互正交，接收天线在构建差分支路的基础上天然集成耦合微带线巴伦结构来抵消发射天线泄露的自干扰信号，实现天线端深层次对消技术，具有高隔离度优点；

16、4)本发明集收、发天线一体化设计，整体结构紧凑，并与射频前端芯片实现片上集成，消除片外互连线寄生损耗，提高系统带宽，实现天线小型化、系统集成化。