(杭州電子科技大學天線與微波技術研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

隨著多媒體設備的廣泛應用，目前普遍采用的兆級(如:Wi-Fi、藍牙等)天線傳輸技術已無法滿足迅猛增長的千兆級應用的需求。針對此技術瓶頸和頻譜資源擁擠的現(xiàn)實，世界主要國家相繼開辟了60 GHz 附近(57 64 GHz)的約7 GHz 免許可頻段[1]。由于60 GHz 頻段自身的優(yōu)點和廣泛的應用前景，逐漸成為毫米波無線通信領域研究的熱點之一，同時其高的頻率和寬的頻帶也為射頻前端電路的設計帶來諸多挑戰(zhàn)。CMOS工藝具有成本低、集成度高和便于大規(guī)模生產的優(yōu)點，成為60 GHz 射頻MMIC的較好選擇。天線在無線通信系統(tǒng)中起著關鍵性的作用，直接影響無線信號能否完整的接收與發(fā)送。近年來，基于CMOS工藝的天線與射頻前端電路的研究越來越多的引起了設計人員的注意[1]。然而，CMOS工藝襯底硅的低電阻率特性對天線輻射有較大影響。微機械加工技術和質子注入工藝等方案降低了硅襯底的損耗，提高芯片上天線的輻射效率，卻減少了系統(tǒng)集成水平，增加了加工工藝復雜度并且提高了成本[2]。人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor，AMC)結構在中心頻率處具有對入射波反射系數(shù)為1的同相位反射特性。因此，考慮在天線與硅襯底之間加載具有高阻表面特性的AMC結構，這將有利于減小硅襯底的影響，提高天線的增益和輻射效率等。

1 AMC結構和片上天線的設計

由于AMC結構對不同的入射波頻率呈現(xiàn)出不同的反射相位(-180°，+180°)，在諧振頻率處反射相位為零度可實現(xiàn)同相位反射[3]。通常定義反射相位在±90°之間所對應的頻率范圍為AMC結構的反射相位帶隙，此范圍反射波對入射波的影響相對較小。AMC結構的百分比帶寬為:

fup和flo分別為反射相位為-90°和+90°時所對應的入射波頻率，fc為反射相位為零時所對應的中心頻率。

AMC結構單元俯視圖如圖1所示，3D 圖如圖2所示。

圖1 AMC結構單元俯視圖

圖2 AMC結構單元3D 圖

根據(jù)D.Sienenpiper 提出的AMC結構表面波的傳輸特性分析方法，相鄰的兩個貼片(AMC 單元)之間縫隙耦合形成等效電容C，而貼片與介質形成等效電感L，由此構成了一個并聯(lián)諧振回路[4]。等效電容C與等效電感L的估算公式可由保角變換理論以及經(jīng)典的電磁場理論得出[5]:

式中，a為AMC 單元的邊長，u為單元周期長度，g為相鄰單元之間的縫隙寬度，ε1與ε2分別為結構表面上方覆蓋層(一般為空氣)與下方介質基板的介電常數(shù)，h為介質基板(Si 襯底層)的厚度。

估算公式只能得到AMC 單元尺寸的近似值，并且精度較低。為了精確地得到AMC 單元的反射相位圖，基于電磁仿真軟件HFSS 對AMC 單元參數(shù)進行優(yōu)化設計，其仿真模型如圖3所示。由于在垂直于波的傳播方向上周期結構是無限擴展的，基于電磁場中的鏡像原理，選取其中一個周期性結構，對模型施加波端口激勵如圖3(a)，在其左右兩側面施加理想電壁，前后側面施加理想磁壁如圖3(b)、(c)所示，這樣的設置可以等效為利用垂直入射平面波激勵一個周期性結構單元[6]。另外波導端口的位置應該離周期性結構至少λ/4的距離，以減小因結構不連續(xù)性產生的高次截止模對端口場分布的影響，并獲取正確的傳輸參數(shù)。在仿真結果的后處理過程中，可利用波導端口的De-embed 功能消除附加均勻傳輸線產生的額外傳輸相移。

圖3 AMC 單元優(yōu)化仿真圖

通過估算公式計算和電磁仿真軟件HFSS 優(yōu)化仿真，得到AMC結構單元尺寸優(yōu)化值:a =107 μm，g=45 μm。此時AMC結構單元的反射相位如圖4所示，反射相位為±90°對應的入射波頻率分別為52.3 GHz和67.8 GHz，在中心頻率60 GHz 處反射相位為0°，百分比帶寬為25.8%。

圖4 AMC結構單元的反射相位

圖5 三角形單極子片上天線俯視圖

三角形單極子片上天線俯視圖如圖5所示，基于3×6 AMC結構的片上天線整體設計3D模型如圖6所示。

標準CMOS工藝由地、Si 襯底層、SiO2層和SiN層等組成，其中SiO2層包含6層金屬層(從下到上依次為M1 M6)，AMC結構位于SiO2的M1層而天線位于SiO2的M6層。天線采用阻抗50 Ω的共面波導饋電。

為了研究不同排列的AMC結構單元對片上天線性能的影響，仿真并比較基于3×6，4×6，5×6，3×7，3×8 排列的AMC結構的天線性能。實現(xiàn)較好回波損耗和阻抗匹配的天線參數(shù)優(yōu)化值如表1所示。

圖6 基于3×6 AMC結構的片上天線3D模型

表1 基于不同AMC結構的天線尺寸參數(shù)

2 仿真結果分析與討論

經(jīng)過仿真優(yōu)化基于3×6，4×6，5×6，3×7，3×8 排列的AMC結構的天線回波損耗仿真結果如圖7所示，回波損耗小于-10 dB的頻帶均完全覆蓋了60 GHz 附近的免許可頻帶(57 64 GHz)。天線的最大增益和輻射效率分別如圖8、9所示，由圖中可知，當增加電流流動方向的AMC 單元個數(shù)(3×6，3×7，3×8)，天線的增益和輻射效率都大幅提高，當增加垂直于電流流動方向的AMC 單元個數(shù)(3×6，4×6，5×6)，天線的增益和輻射效率變化緩慢。天線的E 面方向圖如圖10所示，隨著AMC 排列的變化天線的方向性以及前后比變化相對較小。表2給出了天線的具體參數(shù)值。

天線的增益、方向性和尺寸往往是衡量天線性能的3個重要參數(shù)，為了更加直觀地描述天線的性能，當方向圖變化不大時定義天線的品質參數(shù)F(Figure-of-Merit)[3]如下:

式中，G為天線增益，S為天線面積。

圖7 基于不同排列AMC的天線回波損耗

圖9 基于不同排列AMC的天線輻射效率

圖8 基于不同排列AMC的天線最大增益

圖10 基于不同排列AMC的天線E 面輻射方向圖

基于不同排列AMC結構的天線對應的品質參數(shù)F 如表2所示。與部分文獻的天線F 參數(shù)比較如表3所示。

表2 基于不同排列AMC結構的天線性能

表3 天線品質參數(shù)F 比較

綜合天線的增益、輻射效率、面積、方向圖、回波損耗以及品質參數(shù)F 等，當增加天線電流流動方向的AMC個數(shù)，減少垂直電流流動方向的AMC個數(shù)，將獲得相對較好的天線性能。

3 結束語

本文設計一種采用標準CMOS 0.18 μm 工藝的片上天線，為了減小CMOS工藝中低電阻率硅襯底對天線輻射性能的影響，設計了一種六邊形的AMC結構，通過在天線和襯底之間加載六邊形AMC結構，天線的增益、輻射效率等大幅提高。并分析比較了基于不同排列的AMC結構單元對片上天線性能的影響。與文獻中的天線相比，本文所設計的天線在尺寸、輻射效率和增益等方面有相對較好的特性。

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