《基于六边形AMC结构的60 GHz片上天线的设计》.pdfVIP

第34卷第4期 杭 州 电子科 技 大 学 学 报 Vo1．34，No．4 20l4年7月 Journal of Hangzhou Dianzi University Ju1．20l4 基于六边形AMC结构的60GHz片上天线的设计 马晓洋，项铁铭，杨 涛 (杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018) 摘要：介绍一种基于六边形人工磁导体结构采用标准CMOS工艺的60GHz片上天线的设计。标 准CMOS工艺以金属硅为衬底，但衬底硅的低电阻率(10Q ·cm)和低的电子迁移率特性对天线辐 射有较大影响。AMC结构通过合理的设计具有类似于理想磁壁的同相位反射特性。通过在天线 与硅衬底之间周期加载AMC结构，可以有效地提高天线的增益、辐射效率等。重点讨论了采用人 工磁导体结构的天线优化设计，并基于三维电磁仿真软件AnsoftHFSS仿真比较了不同排列的人 工磁导体结构对天线性能的影响。 关键词：人工磁导体结构；片上天线；标准CMOS工艺 中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1001—9146(2014)04—0055—05 0 引 言 随着多媒体设备的广泛应用，目前普遍采用的兆级(如：Wi—Fi、蓝牙等)天线传输技术已无法满足 迅猛增长的千兆级应用的需求。针对此技术瓶颈和频谱资源拥挤的现实，世界主要国家相继开辟了60 GHz附近 (57～64GHz)的约7GHz免许可频段…。由于60GHz频段 自身的优点和广泛的应用前景， 逐渐成为毫米波无线通信领域研究的热点之一，同时其高的频率和宽的频带也为射频前端电路的设计 带来诸多挑战。CMOS工艺具有成本低、集成度高和便于大规模生产的优点，成为60GHz射频MMIC 的较好选择。天线在无线通信系统中起着关键性的作用，直接影响无线信号能否完整的接收与发送。 近年来，基于CMOS工艺的天线与射频前端电路的研究越来越多的引起了设计人员的注意…。然而， CMOS工艺衬底硅的低电阻率特性对天线辐射有较大影响。微机械加工技术和质子注入工艺等方案降 低了硅衬底的损耗，提高芯片上天线的辐射效率，却减少了系统集成水平，增加了加工工艺复杂度并且 提高了成本 。人工磁导体 (ArtificialMagneticConductor，AMC)结构在中心频率处具有对入射波反射 系数为 1的同相位反射特性。因此，考虑在天线与硅衬底之间加载具有高阻表面特性的AMC结构，这 将有利于减小硅衬底的影响，提高天线的增益和辐射效率等。 1 AMC结构和片上天线的设计 由于AMC结构对不同的入射波频率呈现出不同的反射相位 (一180。，+180。)，在谐振频率处反射 相位为零度可实现同相位反射 。通常定义反射相位在 ~90。之间所对应的频率范围为AMC结构的反 射相位带隙，此范围反射波对入射波的影响相对较小。AMC结构的百分比带宽为： BWAMC= 。％ ㈩ fu和f,o分别为反射相位为-90。和+90。时所对应的入射波频率，fc为反射相位为零时所对应的中 收稿 日期 ：2013—09—25 基金项 目：国家 自然科学基金资助项目，浙江省自然科学基金资助项 目(LY13FOIO017) 作者简介：马晓洋(1987一)，男，河南宝丰人，在读研究生，天线与微波电路设计． 58 杭 州 电子 科 技 大 学 学报 2014年 ． 10 - 20 ∞ 羹瑚 囡 -．50 ∞ S2 s4 56 秘 ∞ 62 64 66 68 70