介紹了一種基于SiC襯底的142GHz片上天線(OCA)。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 采用標(biāo)準(zhǔn)的0.1um GaN毫米波單片集成電路(MMIC)工藝技術(shù)來制作天線。為了使信號傳輸模式過渡平緩，該天線采用化合物半導(dǎo)體工藝中的空氣橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行交叉連接。設(shè)計(jì)的天線在132GHz時(shí)，仿真得到的峰值增益為5dBi，峰值輻射效率為94%。制造的天線芯片尺寸為1.2×1 mm²。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了132GHz的1×2陣列;仿真峰值增益大于7.1dBi，輻射效率大于86%。陣列天線芯片尺寸為 2.4×1.5 mm²。

1. 引言

超高數(shù)據(jù)速率的需求正在不斷有助于著無線通信的開展。針對 6G 通信系統(tǒng)的研究也在逐步的召開?，F(xiàn)在 FCC已經(jīng)開放了 95 GHz 到 3 THz 之間的頻譜，可用于開發(fā)新的應(yīng)用程序和服務(wù)系統(tǒng)。而片上天線可以有效的解決該頻段的天線問題，即傳統(tǒng)制造技術(shù)難以精確地制造太赫茲天線，并且順利獲得天線的片上集成可以實(shí)現(xiàn)與芯片的高頻互連，達(dá)到完全集成的無線系統(tǒng)。這是非常具有吸引力的研究方向。因此，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界針對片上集成天線召開了大量的研究。

但是傳統(tǒng)的硅襯底并不適合片上天線，盡管現(xiàn)在絕大多數(shù)片上天線都是基于 CMOS 工藝的。根據(jù)，在硅襯底上實(shí)現(xiàn)的偶極子天線，只有 3%的功率輻射到空氣中，其余功率耦合到襯底中。在硅襯底上提高天線增益和效率的方法也有文獻(xiàn)提出了一些方案，但每一種都需要獨(dú)特的工藝步驟或復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法。因此，使用 GaN芯片來設(shè)計(jì)片上天線是一個(gè)非常新穎的思路。并且，現(xiàn)在還沒有使用 GaN芯片工藝制作太赫茲片上天線的文獻(xiàn)發(fā)表。同時(shí) GaN 片上天線與 GaNMMIC 芯片可以實(shí)現(xiàn)全片上集成，空氣橋結(jié)構(gòu)可以為天線給予傳輸模式的平穩(wěn)過渡，進(jìn)一步提高天線的輻射效率和增益。

2. 天線設(shè)計(jì)和制造

2.1 制造技術(shù)

天線是使用 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 研究中心的標(biāo)準(zhǔn)GaN MMIC 加工工藝設(shè)計(jì)的。圖 1 顯示了 GaN MMIC 的橫截面。在厚度為 70 μm 的半絕緣 SiC 襯底上。金屬“in”厚度為 2.2 μm，是芯片微帶線的主要金屬層?？諝鈽?qū)?，對應(yīng)圖中的“tin”，高度為 0.5 μm，厚度為2 μm。采用研磨工藝降低襯底厚度后，進(jìn)行 Ti/Au (700/7000 μm)堆疊的背面金屬蒸發(fā)。

圖 1 GaN MMIC 芯片截面

2.2 天線設(shè)計(jì)

所提出的OCA的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖 1 中的金屬“in”和“tin”用于天線設(shè)計(jì)。OCA 采用準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)單元和由饋電的共面波導(dǎo)地平面構(gòu)成的反射面組成。驅(qū)動(dòng)單元是一個(gè)印刷偶極子。

圖 2 (1)設(shè)計(jì)的片上天線. (b) GCPW 到 CPS模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

圖 2 顯示天線由“a”和“b”兩個(gè)氣橋組成。使用空氣橋結(jié)構(gòu)“a”實(shí)現(xiàn)從 GCPW模式到 CPS 模式的平緩轉(zhuǎn)換。由于槽線不支持 GCPW 模式，因此沿該方向的場將從槽線段的前沿反射。當(dāng)反射的 GCPW 模式再回到空氣橋的前沿時(shí)，它再次生成 GCPW和槽線模式。為了將槽線模式反射回來，可以在模式轉(zhuǎn)換部分的前端插入一個(gè)空氣橋“b”。使用這種方法可以提高從 GCPW 到CPS 模式的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)間距為 940 μm 的 1×2陣列，驗(yàn)證了所提出的天線在太赫茲頻段的適用性。微帶 T 型結(jié)構(gòu)功率分配器給天線陣列饋電，天線元件與單天線相同。圖 3 為 T型結(jié)構(gòu)功率分配器，圖 4 為設(shè)計(jì)的陣列天線結(jié)構(gòu)。

圖 3 設(shè)計(jì)的 T 型結(jié)構(gòu)功率分配器。

圖 4 設(shè)計(jì)的陣列片上天線。

使用商用 Ansoft HFSS 對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，使其在預(yù)期的工作頻率下具有較寬的帶寬和良好的輻射性能。表I列出了圖 2、圖 3、圖 4 中天線和 t 型結(jié)構(gòu)功率分配器的理想尺寸。

表I 天線參數(shù)值 (單位: μm)

3. 仿真結(jié)果

圖 2 中的太赫茲天線的尺寸在表?中可以找到。在圖 5 中，展示了仿真得到的片上天線反射系數(shù)、增益、EH 面仿真結(jié)果。從 109 GHz 到 156 GHz，反射系數(shù)保持在-10 dB 以下。天線帶寬約為 36%。在 132GHz 時(shí)，仿真得到的峰值輻射效率為 94%。該天線的輻射效率和增益優(yōu)于許多 CMOS 天線。

圖 5 仿真得到的反射系數(shù)、增益、EH面

仿真得到的 T 型結(jié)構(gòu)功率分配器S 參數(shù)如圖 6 所示。可以看出，功率分配器的帶寬為 54%。天線陣列的反射系數(shù)、增益、EH 面仿真結(jié)果如圖 7 所示。在 132GHz 時(shí)，仿真得到的峰值輻射效率為 86%。

圖 6 T 型結(jié)構(gòu)功率分配器仿真結(jié)果

圖7 仿真得到的陣列天線反射系數(shù)、增益、EH面。

4. 結(jié)論

本研究討論了采用 GaN MMIC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)片上天線的設(shè)計(jì)過程和仿真性能，順利獲得該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)天線與 GaN芯片的單片集成。天線的工作頻率范圍為 109GHz 至 156GHz，可用于下一代 6G 無線通信。同時(shí)采用空氣橋結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的傳輸模式轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)了空氣橋結(jié)構(gòu)的單天線和 1×2 陣列天線。設(shè)計(jì)的單天線在 132GHz 時(shí)增益為5 dBi，效率最高為 94%。

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