一種毫米波CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線

無線網絡不斷增長的容量，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說，指定給無線個人網絡（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頻段對于所有類型 的短距無線通信具有最重大的意義。為了在60GHz無線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。

本文提出了一種60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線。在這種射頻芯片嵌入式天線的設計中采用了帶有集成微帶過孔不平衡-平衡器的平面偶極子天線結構。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的輸入VSWR和天線增益晶圓上測量 使用微波探針臺實行。

天線設計

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

仿真與測試結論

圖3給出了HFSS仿真的天線電流分布。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印制偶極子饋電點上電流流動矢量180°相位 差。這展示了集成微帶不平衡-平衡器的作用。圖4給出了一個制成60GHz CMOS射頻芯片嵌入式天線的芯片顯微圖。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天線仿真輻 射圖樣與H平面、E平面功率增益值。注意到，天線功率增益（絕對增益）Gp定義為：

圖1 帶有集成過孔不平衡-平衡器的平面耦極子天線

圖2 60GHzCMOS射頻芯片嵌入式天線芯片布線（a）和截面圖（b）

圖3 HFSS仿真圖與仿真天線電流分布

圖4 芯片顯微圖

圖5 仿真和實測天線輸入VSWR

表1 60GHz仿真天線功率增益

圖6 60GHz H平面E平面仿真天線輻射圖樣