片上集成贴片天线制造技术

本发明专利技术提供了一种片上集成贴片天线，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，所述介质层位于所述金属贴片和金属地之间。本发明专利技术的片上集成贴片天线，能够改善天线的辐射性能，且制作过程较为简单，成本也较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种片上集成贴片天线。
技术介绍
近年来无线通信发展迅猛。随着对低成本、宽带、高速和小型无线设备，特别是毫米波频段设备需求的日益增多，片上系统(SoC)成为解决上述要求的重要方案。现有片上系统(SoC)，系统级封装(SIP)技术已经可以将接收器射频前段、中频以及数字基带各部分电路集成在一个微型封装之中。为了实现一个完整的片上系统，片上集成天线技术成为我们需要研究的主要问题。在毫米波频段中，60GHz十分引人关注。对于高速互联网、数据通信，特别是无线个人局域网(WPAN)应用，60GHz均是一个极佳的频带，因为它不需要使用许可，同时具有很高的频率复用率以及7GHz的连续带宽(其它不需使用许可的频带，带宽都小于0. 3GHz)。同时 CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor，互补金属氧化物半导体)和 BiCMOS 技术的发展使电路和系统可以工作在毫米波频段，所需的天线尺寸也相应减小，使得片上集成天线成为可能。然而，利用标准CMOS制造工艺对片上天线进行集成依然存在很多问题，其中最主要的就是硅材料的影响。一方面硅基较之空气(、 1)具有较高的介电常数(、= 11. 9)，硅基会将大部分的辐射能量约束在材料中而不是将其辐射到空间，造成天线整体辐射效率不高。另一方面，工业界常用硅片的电阻率仅为10Ω 左右，呈现高损耗特性，进一步恶化了辐射性能。因此，一般的天线结构由于高损耗硅基的影响，使得所实现的辐射性能均不理想，绝对增益均小于OdBi。同时，虽然通过质子注入提高硅基电阻率，添加介质透镜、采用深反应离子刻蚀DRIE法完成硅基微加工等方法可以改善辐射性能，然而工艺相对复杂会大大提高制造成本，并且与现有的标准CMOS工艺不兼容。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种片上集成贴片天线，能够改善天线的辐射性能，且制作过程较为简单，成本也较低。为了解决上述问题，本专利技术公开了一种片上集成贴片天线，包括片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元， 所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，所述介质层位于所述金属贴片和金属地之间。进一步地，所述片上集成贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的馈电导体，所述金属贴片单元具有馈电端口，所述馈电导体与所述金属贴片单元连接。进一步地，所述馈电导体通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。进一步地，所述贴片天线还包括设置于所述金属贴片单元与介质层之间的支撑件，所述支撑件的厚度与所述馈电导体的厚度相同。进一步地，所述支撑件通过光刻印刷工艺制作在介质层表面，并焊接于所述金属贴片单元上。进一步地，所述金属贴片单元采用铜、银或金具有良好导电性能的金属制成。进一步地，所述金属贴片单元的厚度根据工作频率确定，大于对应的工作频率下金属的趋附深度。进一步地，所述金属贴片单元的厚度至少为对应的工作频率下金属的趋附深度的六倍。进一步地，所述金属贴片单元的沿X轴方向的尺寸与对应工作频率的半波长基本相等，所述金属贴片单元沿Y轴方向的尺寸通过仿真结果确定。进一步地，所述介质层采用射频低损耗介质材料制成，所述介质层的介电常数与空气的介电常数基本相同。进一步地，所述介质层的厚度根据天线工作带宽确定。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术的片上集成贴片天线通过将片上装置倒置于片外装置上，并且金属贴片单元与金属地之间通过射频低损耗介质层隔开，因为射频低损耗介质层与空气的介电常数基本相同，所以可以看成在金属贴片装置与金属地之间形成了一个腔体。此结构可以使贴片天线的能量通过倒置的金属贴片单元与金属地之间的腔体，在金属贴片单元沿X轴的最边缘两个端面产生辐射，而不是直接由辐射元中心部分向正上方空间进行辐射，避免大部分能量被片上装置的低阻硅片吸收。同时，通过设置片外装置和倒置片上装置，使介质层在金属贴片装置与金属地之间形成具有足够厚度的腔体，避免了在硅片上直接采用双层金属结构时金属间距过小、金属损耗显著的问题，使谐振能量在到达辐射端口之前具有较小的损耗。同时，因为是通过将片上装置倒置于片外装置上的方式来避免高损耗硅片对天线性能的影响，所以本专利技术的贴片天线仍然能够通过CMOS工艺来实现，所以制作过程较为简单，成本也较低。附图说明图1是本专利技术实施例一的片上集成贴片天线的结构示意图；图2是本专利技术实施例二的片上集成贴片天线的结构示意图；图3是图2所示的片上集成贴片天线的主视图；图4是本专利技术的片上集成贴片天线的电场分布图；图5是本专利技术的片上集成贴片天线的仿真回波损耗图线；图6是本专利技术的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真E面方向图；图7是本专利技术的片上集成贴片天线在60GHz时的仿真H面方向图；图8是本专利技术的片上集成贴片天线在工作频段内的仿真增益和辐射效率图。具体实施例方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。参照图1和图2，示出本专利技术的一种片上集成贴片天线100包括片上装置10和片外装置30，该片上装置10倒置于片外装置30上。片上装置10包括硅片11、隔离层12和金属贴片单元13。其中，硅片11为低阻硅片，其介电常数、电阻率可以根据实际需要来选取。本实施例中，硅片11的介电常数为11. 9，电阻率为10 Ω ·_。其厚度也可以根据实际情况来选取，一般情况下，为了减少高损耗硅片对辐射性能的影响，可以在工艺允许的情况下采用尽量薄的硅片。通常情况下，硅片11的厚度可以为150um至250um之间。隔离层12采用二氧化硅制成，与硅片11贴合。在实际的制作过程中，可以采用标准的CMOS工艺将隔离层12直接制作在硅片11上。因为隔离层12用于隔离硅片11与金属贴片单元13，所以隔离层12的厚度可以选取一般的制作工艺所能实现的最大厚度，以实现较好的隔离效果。通常情况下，隔离层的厚度可以为3um至Sum之间。金属贴片单元13与隔离层12贴合，即隔离层12位于硅片11和金属贴片单元13 之间。在实际的制作过程中，也可以采用标准的CMOS工艺将金属贴片单元13直接制作在隔离层12上。因为金属贴片单元13为贴片天线的主辐射元，其厚度可以根据相应频率下特定金属的趋附深度和对应的制作工艺所能实现的最大厚度来确定。一般情况下，如果制作工艺条件允许，金属贴片单元13的厚度至少需要大于相应频率下特定金属的趋附深度， 最好能达到趋附深度的六倍以上，以减少金属损耗所带来的影响。金属贴片单元13采用导电良好的金属制成，如铜、银或金。硅片11、隔离层12和金属贴片单元13的长度(沿X轴方向的尺寸)与宽度(沿 Y轴方向的尺寸)分别用于确定片上装置10的工作频率和调节阻抗匹配，其长度一般与工作频率的半波长基本相等，其宽度尺寸可以根据仿真结果确定其最优值。在60GHz工作频带，综合考虑硅片11和隔离层12的介质加载效应，三者的长度一般为SOOum至900um，三者的宽度为IOOOum至1500um。片外装置30包括介质层31及金属地32。片上装置10倒置于片外装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种片上集成贴片天线，其特征在于，包括：片上装置和与所述片上装置连接的片外装置，所述片上装置包括相互贴合的硅片、隔离层和金属贴片单元，所述隔离层位于所述硅片与金属贴片单元之间，所述片外装置包括介质层和金属地，所述金属贴片单元与所述介质层连接，所述介质层位于所述金属贴片和金属地之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，张志军，陈文华，冯正和，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11