基于人工磁導(dǎo)體技術(shù)的60GHz片上天線研究.pdf

1、在當前無線通信頻譜資源越來越緊張、數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高的必然趨勢下，60GHz頻段無線短距離通信技術(shù)引起人們的熱切關(guān)注，并隨之成為未來無線通信技術(shù)中最具潛力的技術(shù)之一。當前無線通信技術(shù)的發(fā)展迅速必然離不開廣大學(xué)者對片上集成天線的深入研究和半導(dǎo)體工藝的進步。人們對于無線通信設(shè)備總是希望其尺寸更小、價格更低以及性能更好，這也一直是片上集成天線的發(fā)展方向。CMOS工藝成本低，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，基于CMOS工藝的片上集成天線在無線通信技術(shù)中得到

2、了廣泛應(yīng)用。但是CMOS工藝中硅基底的高介電常數(shù)和低電阻率在很大程度上損耗了天線的電磁能量，阻礙其性能提高。
　　在上述背景下，本文旨在提高60GHz片上集成天線的性能，引入了人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）技術(shù)。作為一種新型的超材料（Metamaterial），人工磁導(dǎo)體能夠在特定頻率表現(xiàn)出零相位反射特性，使天線電磁能量向外輻射，減少硅基底對電磁能量的損耗，以此提高片上集成天線的性

3、能。本文首先闡述了較為流行的CMOS工藝的相關(guān)內(nèi)容，主要包括六層金屬結(jié)構(gòu)，各個層介質(zhì)材料的電參數(shù)以及厚度等等。隨后介紹了這種工藝對天線性能造成的各種影響：工藝中硅基底較厚，且介電常數(shù)高，使片上集成天線輻射的電磁能量大部分以表面波的形式存在于硅基底中；硅基底的低電阻率又使電磁能量大部分以熱能的形式消散，從而造成了片上集成天線性能不佳。隨后，基于標準CMOS工藝設(shè)計了兩款平面單極子天線：矩形單極子片上天線和環(huán)形單極子片上天線，通過HFSS1

4、5.0軟件建模仿真優(yōu)化使這兩種天線滿足60GHz頻段要求，并對比分析了在60GHz頻段的頻域特性。然后，介紹了人工磁導(dǎo)體的相關(guān)理論，并在此基礎(chǔ)上通過HFSS15.0軟件在人工磁導(dǎo)體單元設(shè)置邊界條件來模擬無限個周期的人工磁導(dǎo)體，設(shè)計出了三種新型六邊形人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：正六邊形、正六邊環(huán)形和六邊雪花形人工磁導(dǎo)體。最后，基于標準CMOS工藝，將三種人工磁導(dǎo)體分別應(yīng)用于環(huán)形單極子天線，分析比較這三種人工磁導(dǎo)體對環(huán)形單極子天線性能的影響，得出六邊形