用于改进片上天线的效率的技术制造技术

用于改进片上天线的效率的技术，其包括将每个天线放置在芯片上的单独区域上，所述单独区域由在放置天线之前或之后被设置在芯片中的沟道来限定。所述沟道可以被金属化。辐射天线元件的频率可以使用被锁定的次谐波频率通过无线注入锁定而被锁定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改进片上天线的效率的技术
本专利技术涉及包括天线的辐射源、收发器和其他装置，例如涉及放置在硅基板(芯片)上的CMOS技术天线。
技术介绍
近几十年来的CMOS技术创新打开了通向设计THz频率的全CMOS集成系统的可能性的大门。THz频率的小天线尺寸使CMOS和硅对于可调向的2D发射器和接收器阵列而言具有吸引力。在先工作成功地显示了利用片上天线的THz源阵列[4,10-13]。然而，在不增加成本的情况下在标准CMOS中实现具有显著辐射功率和效率的锁频和锁相的这种阵列仍是一种挑战。以下将描述的解决方案致力于解决CMOSTHz辐射阵列中的若干现有问题，例如：第一个问题是天线效率，如天线阵列那样的和在天线阵列中的问题。标准CMOS中的体硅具有高电容率和低电阻率，其在100-800μm的体厚度下在0.3THz处招致显著的辐射损失。如果在接地硅基板(低的或高的相对电容率)上设计片上天线，则电磁波将会在所有方向从天线向外辐射和传播。在基板内部辐射的所有波将会在地平面和电介质/空气界面之间反射。在干次反弹之后，反射的角度将会增大，并且在临界角之后，波将会被捕获在基板内并且耦合到表面波模式(TE0和TM1为主要的贡献者)。开发了若干解决方案来规避这一问题(比如覆板石英层、背面硅透镜)，然而，它们全都具有成本，需要外部元件，并且使芯片集成复杂化。即，在先工作添加了具有背面辐射[11-12]或石英覆板[13]的高造价透镜以保持合理的效率。天线效率对于片上2D阵列而言更成为挑战，这是因为其由于硅总面积而劣化，从而使得其不可扩展。还已知的是，天线阵列系统需要大的硅面积(与单个天线所需的面积相比，不成比例地大)以便实现其最大增益。第二个挑战是在这种阵列的每个元件中的有效THz生成。在这层意义上，由于特别是在功率放大器中消耗的DC功率，压控振荡器(VCO)通常对于倍频器链(multiplierchain)而言是优选的。在普遍存在的交叉耦合对中，特别是在使用附加的缓冲器和无源倍频器在所生成的基波的谐波处驱动天线时，在其调谐范围、输出功率和相位噪声之间存在不可避免的权衡取舍。第三个挑战是锁定阵列。如在本领域中所知的，可以使用有源倍频器链以显著DC功率和面积为代价来将信号锁定到低频基准。还可以使用各个PLL，同样具有面积和功率的开销，但由于负载因而还具有输出功率损失。次谐波注入锁定可以是面积和功率高效的，但仍需要消耗了面积、功率并且不容易在2D中扩展的较低(除毫米波外)LO分布。应当注意，THz辐射源/阵列的锁定是特定技术问题，其在所谓的“THz空隙(THzGap)”(0.3THz–3THz)中尤为尖锐。近年来已经做出了许多努力，通过将集成电路的操作范围从毫米波向THz范围(300GHz–3THz)延伸以覆盖“THz空隙”。应当注意，在THz空隙以上，由于可以通过光学设备来供给高于3THz的频率，因此所述问题并不十分尖锐。THz信号对于许多应用而言是期望的，但它们受到其抖动(或相位噪声)的限制，这意味着它们的频率和波幅在时间上不恒定。而且，当前的用于实现被锁定的THz源的方式需要复杂的设计，尤其当用于相控阵列系统中时。这是由于若干问题，比如：i)LO功率分布损失(分离器)信号(由于高频所致)，ii)锁相环(PLL)的复杂性和iii)在这样的频率处的有源倍频链(AMC)的非常高的DC功耗。目前，这些问题以使用昂贵技术(例如InP和GaN)为代价来克服。尽管已经在相对便宜的CMOS技术中(即，在用于构造集成电路的互补金属氧化物半导体技术中)展示了THz信号的生成和检测，各种挑战仍然妨碍CMOS技术对于这种应用切实可行。一个重要问题是，当前的CMOS晶体管很难在从0.3THz(300GHz，所谓的最大频率，在不同CMOS版本中不同)开始的THz范围展示任何功率增益。由于这一原因，信号生成不得不依赖低频(基频)源/发射器的(典型地在毫米波范围中的)谐波生成。该方式中的主要挑战是实现高输出功率、高生成效率、高片上辐射效率、以及对基频和其他不必要谐波的良好抵制。在先已知的解决方案通过使用D频带频率源的二次谐波[1]或W频带源的三次谐波[2-5]来生成J频带(220-325GHz)信号。在所提及的工作中，一般而言，源(通常是诸如压控振荡器VCO的振荡器)的输出通过变压器耦合到天线，变压器引入了额外的损失，还辐射能量，因此降低了注入到天线中的功率。在这种情况下的天线的挑战不仅是从CMOS的干扰硅基板有效地辐射所需谐波，而且要抵制基频，由此进一步改善所辐射的信号的质量和总体功率效率。在[2]中展示了一种改进，其中片上环形天线直接连接到VCO晶体管的漏极。然而，为了使片上THz辐射源实用，例如可用于相干通信或雷达成像，该源的频率和相位需要被锁定到基准源。一种方法是使用基频[3]处的PLL(锁相环)，其大大增加了电路复杂性、成本和DC消耗。而且，在存在辐射源(VCO)的阵列的情况下，该方法要么每一元件均需要单独的PLL，要么需要针对毫米波或甚至THz信号的有损的、复杂的分布网络。现有技术中已知的另一方法是将许多VCO组合并耦合在同一芯片上并行地运行并采用互锁[2]。然而，在这样的方法中，VCO输出必须在天线之前被功率组合或者必须在每个元件(VCO)区域内提供天线。功率组合于是以基频执行，这是个缺点。另外，互锁不一定足以用来实现来自整个整列的被锁定的发射信号；这个问题有时通过在阵列内放置若干合成器来对付，以便将整个阵列注入锁定，而这一解决方案同样是高成本、复杂和DC消耗大的。信号分布于是在较低的、低损失的频率处进行，但在硅面积和DC功耗方面的成本较高。关于上文讨论的主题的许多公开在说明书之后呈现的章节“参考文献”中有提及。
技术实现思路
本专利技术的目的是以最经济的方式并且至少针对THz辐射源和阵列来解决上述若干现有问题——单个天线元件的效率、天线阵列的效率、天线/阵列的锁定。已经提及，天线阵列系统需要比单个天线所需面积大得多(且不成比例地大)的大硅面积以便实现其最大增益。为了解决天线效率这第一个问题，本专利技术人提出了如下构思：通过在芯片/绝缘板的硅基板中创建沟道，将用于片上天线(其为单个天线元件或天线阵列中的天线元件)的单独区域从该芯片的其余硅区域/该板的其余区域中保留出来/隔离出来，以便保留该片上天线的增益，其中，所述沟道限定了天线的单独区域，因此将该天线从其余硅区域和/或阵列的其他天线隔离出来。将在说明书和权利要求书中使用的术语天线芯片应当被理解为布置在绝缘板/芯片/晶片上的一个或多个天线。为了实现片上天线的(从周围或从阵列的其他天线和它们的硅区域中的)更有效的隔离，硅基板中的沟道可以被金属化(金属镀覆，设有嵌入于所述沟道中的金属球，以导电材料填充)。片上天线可以是印刷天线、接收/或发射天线，例如THz天线。片上天线可以连接到例如具有VCO形式的发射器。天线(和VCO)可以通过诸如CMOS等经济的技术来生产。在本说明书中，术语“天线”和“发射器”中的每一个可以按两种含义来使用：特定的和一般的。在特定含义中，这两个术语定义了可以一起形成天线元件的发射器和天线。然而，天线可以是接收天线，因此可以不连接到任何发射器/馈源。在这种情况下，天线元件包括没有发射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线芯片，包括放置在绝缘板上且能够辐射和/或接收频率的一个或多个天线元件，其中所述天线元件中的每一个被定位在所述绝缘板上的其单独区域上，并且其中每个所述单独区域由设置在所述绝缘板中的沟道限定。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.26 US 62/120,995;2016.01.19 US 62/280,2151.一种天线芯片，包括放置在绝缘板上且能够辐射和/或接收频率的一个或多个天线元件，其中所述天线元件中的每一个被定位在所述绝缘板上的其单独区域上，并且其中每个所述单独区域由设置在所述绝缘板中的沟道限定。2.根据权利要求1所述的天线芯片，包括两个或更多个所述天线元件的阵列。3.根据权利要求1或2所述的天线芯片，其中，所述沟道被金属化。4.根据权利要求3所述的天线芯片，其中，所述绝缘板是硅基板，所述天线元件被放置在所述基板的正面上，并且其中，所述沟道在所述绝缘板的背面中被切割并用导电材料填充。5.根据权利要求1所述的天线芯片，其中，所述绝缘板是硅基板，并且其中，所述沟道利用设置在所述基板中的贯穿基板通孔(TSV)来形成。6.根据权利要求1所述的天线芯片，其中，所述单独区域是最佳区域，以使得对于在所述阵列中设有所述最佳区域的天线元件而言，增益在操作中保持不劣化。7.根据权利要求1所述的天线芯片，其中，所述频率在THz空隙附近。8.根据权利要求1所述的天线芯片，其中，在所述绝缘板上的所述天线元件通过65nmCMOS技术制造。9.根据权利要求3所述的天线芯片，其中，所述沟道通过导电胶被金属化。10.根据权利要求2所述的天线芯片，其中，所述阵列是在芯片的正面上通过65nmCMOS设置的并且能够辐射0.3THz频率的天线元件的2D的2x3阵列，其中，针对所述天线元件中的每一个，通过设置在所述绝缘板的背面上且由导电材料填充的沟槽，所述区域被分成单独区域。11.一种制造天线芯片的方法，包括：在绝缘板上设置能够辐射和/或接收频率的一个或多个天线元件的步骤，以及在所述绝缘板中设置沟槽以通过所述沟槽在所述绝缘板上针对所述天线元件中的每一个来限定各自的单独区域。12.根据权利要求11所述的方法，包括在所述绝缘板上形成两个或更多个所述天线元件的阵列。13.根据权利要求11或12所述的方法，包括在所述绝缘板上设置所述天线元件之后，在所述绝缘板的背面设置所述沟槽。14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括通过导电材料填充所述沟槽。15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，包括使用CMOS技术来生产所述天线元件。16.一种用于锁定THz频率的信号的方法，包括：提供作为具有THz天线的发射器的天线元件，以及通过使用作为所述发射器的期望THz发射频率的次谐波的外部被锁定的频率来执行所述发射器的无线注入锁定，从而得到被锁定的所述THz发射频率。17.根据权利要求16所述的方法，包括-提供所述发射器，其能够○至少生成NTHz的第一频率，以及○接收N/nTHz的第二频率，其中n为自然数；○至少发射高于或等于所述第一频率的第三频率；-提供外部源，其能够发射等于所述发射器的第二频率的N/nTHz的被锁定的频率；-启动所述发射器和所述外部源，同时将所述发射器暴露于所述外部源的辐射，以通过使用其N/nTHz的第二频率来执行所述发射器的无线注入锁定，从而也锁定所述第三频率；-从所述发射器输出作为所述发射频率的被锁定的所述第三频率。18.根据权利要求16或17所述的方法，包括从所述发射器还输出所述被锁定的次谐波频率。19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，包括提供类似于且邻近于所述天线元件的至少一个附加天线元件，从而形成阵列。20.根据权利要求19所述的方法，还包括：使得所述发射器的天线适于-发射所述第一频率NTHz以用于载送信息；-接收所述第二频率N/nTHz以用于所述发射器的无线注入锁定；-发射所述第二频率N/nTHz以用于所述阵列中的一个或多个相邻发射器的无线注入锁定，通过使用来自所述阵列的至少一个发射器的所述被锁定的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃兰·索赫尔，埃利泽·哈尔彭，塞缪尔·詹姆森，
申请(专利权)人：特拉维夫大学拉莫特有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL