60+GHz片上天线的分析与设计

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1、DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterDesignandStudyof60GHzon-chipantennaCandidate:Maxiao-yangSupervisor:Xiangtie-mingDecember，2013杭州电子科技大学硕士学位论文摘要近年来，随着天线小型化、集成化趋势不断推进，片上天线的研究越来越多的引起人们的注意。其中，基于CMOS工艺的片上天线，由于CMOS工艺低成本和便于大规模生产的优点成为行业研究的热点。另外，随着欧美日等国相继在60GHz附近划分了约7GHz的连续免

2、允许频谱资源，该频段逐渐成为短距离无线传输的研究热点，同时也有着广泛的应用前景，如：高清晰未压缩视频流的传输、3D无线高清游戏以及大文件快速传输等。本文的主要工作集中在基于标准CMOS工艺采用人工磁导体结构的60GHz片上天线的研究与设计。CMOS工艺以硅为衬底，然而硅低的电阻率（10Ω·cm）和低的电子迁移率特性很大程度上损耗了天线的电磁能量，导致天线的增益和辐射效率较低，无法满足短距离无线通信的技术指标要求。AMC(ArtificialMagneticConductor，人工磁导体)结构通过恰当的设计可以实现理想磁壁对平面波的同相位反射特性。基于标准CMOS工艺通过在天线与硅衬底之间周期

3、加载AMC结构，将天线设计在CMOS工艺的M6金属层将AMC结构设计在M1金属层，并且合理设计AMC结构的形状、尺寸、间距以及排列形式，可以有效的提高天线的增益、辐射效率等。经过基于有限元法的三维电磁场仿真软件AnsoftHFSS的仿真优化，当正六边形AMC结构单元边长a=107um，单元间距g=45um时，在中心频率60GHz处反射相位为0度，并且反射相位带隙完全覆盖60GHz附近的约7GHz免许可频段。通过仿真比较，改变AMC结构单元的排列方式，当增加电流方向的AMC单元个数（3×6,3×7,3×8），天线的增益和辐射效率都大幅提高；当增加垂直于电流方向的AMC单元个数（3×6,4×6,

4、5×6），天线的增益和辐射效率变化缓慢。论文的主要工作及基本结构如下：首先介绍了60GHz片上天线的研究背景、现状以及发展趋势；然后介绍了天线和AMC结构的设计原理、如何实现AMC结构的同相位反射特性；最后设计了一种六边形AMC结构通过周期加载并基于标准CMOS工艺重点分析了AMC结构对天线性能的影响以及不同排列的AMC结构对片上天线性能的影响和相关结论总结等。关键词：片上天线，人工磁导体，标准CMOS工艺，60GHzI杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTInrecentyears,withtheprogressoftheminiaturizationandintegrationof

5、antenna,theresearchofon-chipantennaattractedmoreandmorepeople'sattention.Duetotheadvantagesoflowcostandeasetomassproduction,antennabasedontheCMOStechnologyhasbecomeahotofindustryresearch.Inaddition,Europe,Japan,Americaandothercountrieshavedividedabout7GHzspectrumresourcesnear60GHz.So60GHzshort-rang

6、ewirelesstransmissionhasbecomeahotresearchalsohasawiderangeofapplicationssuchas:high-definitionuncompressedvideostreams,3DwirelessHDgamesandfasttransferoflargefiles.Thepaperfocusesontheresearchanddesignof60GHzchipantennawhichbasedonstandardCMOSprocess.SiliconactsassubstrateinthestandardCMOSprocess.

7、However,thelowresistivity(10Ω·cm)andthelowelectronmobilityofsiliconhasagreatimpactontheradianceofantenna.Theseresultedinalowergainandradiationefficiencyoftheantenna,whichcannotmeetthetechnicalrequirementsof