聯係我們 Contact

惠州市嵐方實業有限公司

電話:400-6296-898

傳真:0752-2042189

郵箱:sales@urgaytube.com

地址:惠州市博羅縣羅陽鎮西北路8號

郵編:516100

一種毫米波CMOS射頻芯片偶極天線的詳解

發表時間:2017/7/27  來源:互聯網,RF技術社區  瀏覽次數:13742  
字體大小: 【小】 【中】 【大】

無線網絡不斷增長的容量,對寬帶多媒體組件的需求不斷增加。特別是對於密集的本地通信來說,指定給無線個人網絡(WPAN)的60GHz頻帶對於短距通信 具有特殊意義。這是因為在以60GHz為中心頻率的8GHz帶寬內由大氣中的氧氣引起的射頻衰減為10到15dB/km。這使60GHz頻段對於所有類型 的短距無線通信具有最重大的意義。為了在60GHz無線電中使用射頻芯片嵌入式係統(SoC)方式,研究了整合低成本單片集成CMOS射頻前端電路的天線。

本文提出了一種60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線。在這種射頻芯片嵌入式天線的設計中采用了帶有集成微帶過孔不平衡-平衡器的平麵偶極子天線結構。設計仿真中使用了一種 基於FEM的3-D全波EM solver—Ansoft公司的HFSS。天線芯片使用0.18微米CMOS工藝製造。所設計的射頻芯片嵌入式天線的輸入VSWR和天線增益晶圓上測量 使用微波探針台實行。

天線設計

圖1給出了所提的平麵印製偶極子天線。微帶過孔不平衡-平衡器用作饋電同軸線和兩個印製偶極子帶之間的不平衡-平衡轉換器。偶極子帶的長度約為1/4波 長。微帶線和偶極子帶的接地麵在同一個麵。就像圖中指出的那樣,過孔允許一個印製偶極子帶的饋電信號(點2)與另一個印製偶極子帶的饋電信號(點1)擁有 相同的相位。因為頂層導體與微帶線的接地麵存在180°相差,印製偶極子帶點2的饋電信號會與點1的另一個饋電信號之間存在180°相差。偶極子臂帶寬度 選取為約等於波長的十分之一。微帶饋線寬麵的特征阻抗設計為50 Ω。印製偶極子和集成過孔不平衡-平衡器每個部分的尺寸必須經過精確的數值計算以獲得所需的印製天線性能。圖2給出了所設計的60GHz射頻芯片嵌入式偶 極子天線的0.18微米CMOS工藝製成芯片布線與切麵圖。

仿真與測試結論

圖3給出了HFSS仿真的天線電流分布。頂麵和底麵金屬上的仿真電流密度矢量明顯表示出了平衡電流分布和兩個印製偶極子饋電點上電流流動矢量180°相位 差。這展示了集成微帶不平衡-平衡器的作用。圖4給出了一個製成60GHz CMOS射頻芯片嵌入式天線的芯片顯微圖。芯片尺寸為0.75 × 0.66mm,基底厚度約為500mm。圖5給出了天線輸入VSWR晶圓上測量值,其在55到65GHz內小於3。圖6和表1給出了60GHz天線仿真輻 射圖樣與H平麵、E平麵功率增益值。注意到,天線功率增益(絕對增益)Gp定義為:

1

圖1 帶有集成過孔不平衡-平衡器的平麵耦極子天線

 

圖2 60GHzCMOS射頻芯片嵌入式天線芯片布線(a)和截麵圖(b)

3

圖3 HFSS仿真圖與仿真天線電流分布

4

圖4 芯片顯微圖

5

圖5 仿真和實測天線輸入VSWR

6

  • 表1 60GHz仿真天線功率增益*

7

圖6 60GHz H平麵E平麵仿真天線輻射圖樣

8

仿真天線輻射效率近似為百分之16。這可能是CMOS基底損耗造成的。H平麵圖樣除了在某個特定方向存在一些衰減之外近似為全向圖樣。H平麵仿真最大,最 小和平均增益分別近似為-9,-16和-11dBi。用Simons和Lee描述的技術測得晶圓上測量天線絕對功率增益。如圖7所示,兩個相同的射頻芯片 嵌入式天線麵對麵距離R放置。其中一個天線為發射天線,而另一個為接收天線。分隔兩相同天線的距離R應滿足遠場條件,即大於等於

9

這裏D和λ0分別為射頻芯片嵌入式天線最大孔徑與工作頻率自由空間波長。從Friis的功率傳輸公式得知,最大功率天線增益(在偶極子天線的中心前向上)由下式給出:

10

這裏

Gt和Gr =發送和接收天線增益Pt =發送功率Pr =接收功率 

同樣,因為兩天線相同,Gr= Gt=G。功率比Pr/Pt為由VNA得來的實測直接傳輸係數|S21|2。圖8給出了晶片上測量設置的探針台顯微圖。60GHz實測最大天線功率增益約為-10dBi。這與仿真結論完美一致。表2給出了天線輻射特征的性能總結。

11

圖7 射頻芯片嵌入式天線晶片上測試的配置圖示

結論

本文討論了一種帶有集成微帶過孔不平衡-平衡器,60GHz毫米波CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線的設計,製造和晶圓上測量。這是為了利用集成低成本單 片集成CMOS射頻前端電路的天線為60GHz無線電實現一種射頻芯片嵌入式係統(SoC)。天線芯片使用0.18微米CMOS工藝製造,芯片尺寸為 0.75 × 0.66 mm。

使用了基於FEM的一種3D全波EM solver—HFSS進行設計仿真。對輸入VSWR和射頻芯片嵌入式天線的最大天線功率增益做了晶圓上測量。實測天線VSWR在55到65GHz之間小 於3。實測H平麵輻射圖樣近似為全向圖樣,而且仿真天線輻射效率近似為16。這可能是CMOS基底損耗引起的。60GHz處實測天線功率增益約為 -10dBi,這與仿真結果很好地一致。今後將會獲得所設計的帶有60GHz CMOS射頻前端電路的60GHz射頻芯片嵌入式天線的集成產品。

12

表2 帶過孔不平衡-平衡器的60GHz CMOS射頻芯片嵌入式偶極子天線性能總結

13

圖8 探針台晶圓測試設置

[聲明]文章版權歸原作者所有,內容為作者個人觀點,本站隻提供參考並不構成任何投資及應用建議,轉載目的在於傳遞更多信息,並不代表本站讚同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題,請在30日內與本網聯係,我們將在第一時間刪除內容!


惠州市嵐方實業有限公司版權所有   地址:惠州市博羅縣羅陽鎮西北路8號   電話:4006296898

Copyright 2015-2026(urgaytube.com) All rights reserved