一种采用CMOS 0．18μm制造的带EBG结构小型化的片上天线

摘要：采用标准0．18μm CMOS工艺设计制造了一种带EBG(电磁带隙)结构的小型化片上天线。该片上天线由一根长1．6 nm的偶极子天线以及一对一维的尺寸为240μm×340μm EBG结构构成。分别对该EBG结构以及片上天线的S11及S21进行了仿真和测试，结果表明该片上天线工作在20CHz，具有小型化的性能，同时具备三次谐波抑制的功能。
关键词：片上天线；CMOS；EBG

    最近几年，一些研发人员陆续提出了无线互连、WCAN(无线片上局域网)等概念。其主旨思想是利用无线通信的模式，通过自由空间有效的收发射频或微波信号来实现芯片上或芯片间的信号传输，以达到无线互连的目的，从而代替原有的金属互连线。该方法在一定程度上解决了现有金属互连线的极限问题，同时有利于SOC(片上系统)的进一步完善。
    本文提出了一种新的带EBG谐波抑制的小型化片上天线。EBC结构的加载不仅减小天线的尺寸，同时抑制了天线的三次谐波。

1 天线的设计和仿真
    本文设计的带EBG结构的小型化片上天线采用TSMC 0．18μm的工艺仿真和制造。图1为该工艺的剖面图。第六层金属(M6)用于制备本设计的天线层。该工艺硅衬底的电阻率为20 Ω·cm。

1．1 小型化EBG结构
    图2为本设计采用的一维EBG的结构图和等效电路图。从图2 (b)可以看出，该EBG可以看做一个等效电感和等效边缘电容的并联。由于该EBC结构是直接放存金属地面上的，因此需要通过一对串联的电感电容与地相连，串联电容的大小与CMOS工艺中各介质层的厚度及介电常数相关。当该EBG的工作频率在该等效电路的并联谐振频率点附近时，就产生了带阻特性。

    图3为仿真的该EBG结构的S21特性，从图中可以看出，在60 GHz附近，该EBC结构的S21可以达到-26dB，具有带阻特性。

1．2 带EBG结构的片上天线
    我们将图2中的EBG结构应用到片上天线的设计中，如图4所示。该EBG结构加载到一根片上偶极子天线的输入端。该一种小型化具谐波抑制功能的偶极子天线的长度为1.6mm。
    图5为本设计的片上天线对的仿真布局图及仿真所得的S参数。一对带EBG结构的片上偶极子天线相距3 mm的距离相对放置在地面上。仿真所得的该天线的谐振频率为20 CHz。通常，在硅衬底(εr=11．9)上，工作在20 GHz的普通片上半波偶极子天线长度大约为4 mm，而本次设计的天线长度仅为1．6 mm，极大的缩短了天线的尺寸。

    同时，该带EBC结构的小型化片上天线在三次谐波附近(60 GHz)，其S21为-63 dB，其三次谐波被极大的抑制。

2 天线的制造及测试
    图6为本设计的芯片图，一对间距为100μm的焊盘与天线的输入端口连接，用于天线的S参数测试。图7为该天线的测试环境。一对片上天线面对面的放置在探针台上，距离为d。该测试采用两对间距为100μm的GS探针与网络分析仪的两个端口相连接，一测试其S参数特性。

    图8为本次设计天线测试所得的S11，从图中可以看出，该天线工作的中心频点为17 GHz，与图5所示有所偏差，同时-10 dB的阻抗带宽也较图5所示有极大的提高。这是由于CMOS工艺的工艺容差造成的，特别是硅衬底的电阻率，当其电阻率从降低到，设计所得的天线的工作频点将降低，同时带宽将会有很大提高，这主要是由于硅衬底电阻率降低带来更大的衬底损耗以及衬底等效电阻电容的变化。

    图9为在不同距离d的条件下测试所得的S21，从图中可以看出，随着距离的增加，其S21下降。同时，在天线的工作频点附近，其S21出现了一个谷底，这是由于EBG结构的存在，降低了天线的辐射效率。

3 结束语
    本文采用TSMC 0．18μm设计制造了一种带EBG结构的小型化片上天线。一种一维的EBG结构加载到了一根1．6 mm长的片上偶极子天线，该结构具有调节天线谐振频率以及谐波抑制功能。仿真结果表明，本设计的天线在60 GHz具有三次谐波抑制的功能。而测试结果与仿真结果一致表明，EBG结构对天线的加载极大的缩短了天线的尺寸。该片上天线可用于无线互连或者WCAN系统中。