一种基于硅基工艺的260GHz片上微凸栅格天线

本发明涉及天线，尤其涉及一种基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线。

背景技术：

1、面对未来5-10年超5g技术和6g技术的发展壮大，为了满足高数据吞吐量应用、充分利用现有的频谱资源，亚太赫兹片上系统的研究是必要的；随着半导体微纳技术的发展进步，硅基工艺已逐渐成为亚太赫兹片上系统的主流；片上天线是片上系统的收发端的重要组成部分，可与其通过共轭匹配直接相连，这在降低系统损耗，节省面积开销，设计成本方面兼具一定优势。

2、现有技术中提高片上天线增益和效率所采用的技术方案如下：

3、(1)衬底减薄法：将高损耗的硅衬底厚度减薄，硅衬底的厚度减薄到四分之一介质波长以下时，硅衬底中的表面波模式除tm0模外，其它的表面波模都无法产生，可以有效地减小硅衬底对天线性能的影响，提高天线的辐射效率。衬底减薄法应用于亚太赫兹片上天线设计将会使衬底的厚度变得非常薄，芯片的机械强度将受到较大的影响。

4、(2)离子注入法：通过提高硅衬底电阻率的方式，减小天线辐射的电磁波在硅衬底中产生的欧姆损耗，提高片上天线的增益和辐射效率。离子注入法的缺点是工艺复杂，离子注入条件严苛，天线设计的成本较高。

5、(3)硅透镜：可实现较高增益和辐射效率。硅透镜尺寸一般为毫米量级，远大于芯片尺寸，会增加系统的封装难度。

6、(4)微加工技术：可以减小天线下方损耗的硅衬底对天线辐射性能的影响，提高天线的辐射效率和增益。微加工技术缺少了硅衬底的支撑作用，芯片的机械稳定性变差，并且芯片结构变得薄且易碎，也增加了天线的设计成本。

7、(5)片上介质谐振天线：介质谐振器利用低损耗的介质加工。介质谐振器耦合片上馈电结构产生的功率并向外辐射电磁波，因此可以减少功率向硅衬底的方向传播，提高天线的辐射效率和增益。片上介质谐振天线后续的加工，即dr的粘合工艺较为复杂，且体积较大。

8、硅基片上天线的设计面临低增益窄频带等难题，这是硅基工艺的较高的衬底损耗和极薄的金属间距导致的，为此设计一款高增益小型化的硅基片上天线是有必要的。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种方便加工，低成本，高增益小型化的硅基片上天线，将栅格天线应用到片上天线设计中，引入漫波结构和微凸设计，分别缩减横向尺寸，提高片上天线增益。

2、为了达到上述目的，本发明提出一种基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，包括从上至下依次设置的聚酰亚胺层、m2金属层、第一填充介质层、m1金属层、第二填充介质层和硅衬底，其中，所述m2金属层和所述m1金属层均为铜，所述聚酰亚胺层的顶部设置有若干圆形辐射单元和漫波结构，所述m2金属层表面设置有微凸结构。

3、本发明进一步地技术方案是，所述圆形辐射单元的个数为七个，所述漫波结构包括设置于七个所述圆形辐射单元间的八条漫波传输线，所述圆形辐射单元的圆形辐射边的贴片半径满足2r＝lrad-w，其中w是栅格天线传输边宽度，lrad是栅格天线原方形辐射边的长度，每条所述漫波传输线上的渐变枝节总数n＝9。

4、本发明进一步地技术方案是，所述漫波传输线的长度l＝ltran-w，其中ltran和w分别是栅格天线传输边长度，辐射边宽度，选取每个枝节顶端中点进行连线和起点构成线性运算，线性变换长度为b，为了简便运算取枝节与间隙同宽。

5、本发明进一步地技术方案是，所述基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线采用片上差分馈电的方式激励天线，结构为探针-接地共面波导-耦合微带线。

6、本发明进一步地技术方案是，所述耦合微带线与天线、接地共面波导之间分别引入渐变结构，提高阻抗匹配性能。

7、本发明进一步地技术方案是，所述微凸结构为金属球体，材料为锡。

8、本发明进一步地技术方案是，所述金属球体的半径radius由圆形贴片的半径r和球心高度h共同决定，且满足：因此可以在球面上激励出hem11模式，在边射方向上与圆形贴片上的tm11模式叠加以提高增益。

9、本发明进一步地技术方案是，所述硅衬底的厚度为200um，相对介电常数为11.9，电导率为0.75s/m。

10、本发明进一步地技术方案是，所述第二填充介质层为sio2，厚度为2um，相对介电常数为4。

11、本发明进一步地技术方案是，所述第一填充介质层为聚酰亚胺，厚度为7um，相对介电常数为3.5，电导率为0.02s/m。

12、本发明基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线的有益效果如下：

13、(1)本发明提出了一种基于标准硅基工艺的超薄介质层的片上栅格天线结构。

14、(2)本发明采用了片上差分馈电的方式，极大的降低了电磁能量在衬底的损耗。

15、(3)本发明引入了慢波结构来解决谐振点上移问题，在缩小横向尺寸后，保持相邻辐射单元同相。

16、(4)本发明结合球状引脚栅格阵列封装技术，进行微凸设计，提高了增益和带宽性能，降低了交叉极化水平。

17、(5)本发明所提出的片上微凸栅格天线在感兴趣的频段内具有较高增益，其低剖面小型化的特点利于生产加工，可与同类封装工艺的射频模组集成应用，或与硅基芯片直接相连。

技术特征：

1.一种基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，包括从上至下依次设置的聚酰亚胺层、m2金属层、第一填充介质层、m1金属层、第二填充介质层和硅衬底，其中，所述m2金属层和所述m1金属层均为铜，所述聚酰亚胺层的顶部设置有若干圆形辐射单元和漫波结构，所述m2金属层表面设置有微凸结构。

2.根据权利要求1所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述圆形辐射单元的个数为七个，所述漫波结构包括设置于七个所述圆形辐射单元间的八条漫波传输线，所述圆形辐射单元的圆形辐射边的贴片半径满足2r＝lrad-w，其中w是栅格天线传输边宽度，lrad是栅格天线原方形辐射边的长度，每条所述漫波传输线上的渐变枝节总数n＝9。

3.根据权利要求2所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述漫波传输线的长度l＝ltran-w，其中ltran和w分别是栅格天线传输边长度，辐射边宽度，选取每个枝节顶端中点进行连线和起点构成线性运算，线性变换长度为b，为了简便运算取枝节与间隙同宽。

4.根据权利要求3所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线采用片上差分馈电的方式激励天线，结构为探针-接地共面波导-耦合微带线。

5.根据权利要求4所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述耦合微带线与天线、接地共面波导之间分别引入渐变结构，提高阻抗匹配性能。

6.根据权利要求3所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述微凸结构为金属球体，材料为锡。

7.根据权利要求6所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述金属球体的半径radius由圆形贴片的半径r和球心高度h共同决定，且满足：因此可以在球面上激励出hem11模式，在边射方向上与圆形贴片上的tm11模式叠加以提高增益。

8.根据权利要求1所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述硅衬底的厚度为200um，相对介电常数为11.9，电导率为0.75s/m。

9.根据权利要求1所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述第二填充介质层为si 02，厚度为2um，相对介电常数为4。

10.根据权利要求1所述的基于硅基工艺的260ghz片上微凸栅格天线，其特征在于，所述第一填充介质层为聚酰亚胺，厚度为7um，相对介电常数为3.5，电导率为0.02s/m。

技术总结
本发明提供了一种基于硅基工艺的260GHz片上微凸栅格天线，包括从上至下依次设置的聚酰亚胺层、M2金属层、第一填充介质层、M1金属层、第二填充介质层和硅衬底，其中，所述M2金属层和所述M1金属层均为铜，所述聚酰亚胺层的顶部设置有若干圆形辐射单元和漫波结构，所述M2金属层表面设置有微凸结构。本发明方便加工、低成本、高增益、小型化，将栅格天线应用到片上天线设计中，引入漫波结构和微凸设计，分别缩减横向尺寸，提高了片上天线增益。

技术研发人员：陈梓浩,项文宣,王凯旭
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26