W波段小型化低交叉極化片上天線

張 濤， 楊海濱， 盧啟軍， 尹湘坤， 劉 陽， 朱樟明

(西安電子科技大學， 陜西西安710071)

0 引 言

隨著毫米波雷達技術的不斷發(fā)展，人們對系統(tǒng)集成度、探測分辨率的需求也日益增長。針對未來高集成度、高分辨率、低功耗的片上雷達應用需求，如短距離手勢識別、安檢成像、生命探測等，毫米波頻段由于其工作帶寬寬、分辨率高、抗干擾能力強等特點受到了越來越多的關注。尤其在W波段，由于大氣的低衰減特性，與其他頻段相比，相同的等效全向輻射功率(EIRP)下可傳播更遠的距離。同時在W波段，無源器件的物理尺寸也將大大減小，這使毫米波雷達系統(tǒng)的片上全集成成為可能。早在2013年，IBM就基于BiCMOS工藝實現(xiàn)了W 波段的16通道雙極化相控陣收發(fā)模塊的全集成，可應用于高分辨率雷達系統(tǒng)，芯片整體尺寸僅為6.7 mm×6.6 mm[1]。近年來，基于硅基高集成度、高性能的片上毫米波全集成片上雷達系統(tǒng)成為目前的研究熱點之一[1-3]。

天線作為無線通信系統(tǒng)中不可或缺的關鍵模塊，其尺寸在很大程度上決定了系統(tǒng)的整體集成度。要實現(xiàn)毫米波系統(tǒng)與天線的一體化集成，片上天線技術是重要途徑之一[4-6]。基于半導體工藝的片上天線，可實現(xiàn)天線與芯片的高度集成，具有可靠性高、結構緊湊等優(yōu)點。同時天線與芯片可直接相連，避免了片外的互連，有效降低了互連損耗，并有利于天線和芯片的聯(lián)合設計，使設計更加靈活。近年來，隨著大規(guī)模制造和組裝，片上天線的成本也逐步降低，因此片上天線技術受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。目前，通過硅基的高摻雜、微機加工等手段，片上天線的輻射增益和效率可以得到有效的提升，如文獻[7]，通過背部硅基刻蝕方法，基于BiCMOS工藝設計實現(xiàn)了工作165 GHz片上天線，其天線增益最大達5 dBi，天線輻射效率超過60%，但其天線尺寸達到1 mm×1 mm。目前實現(xiàn)天線的小型化多采用單偶極子和四分之一波長短路貼片天線(Shorted Patch Antenna, SPA)結構。文獻[8]中，采用繞線的方式，可有效地減小了單級子天線的面積，但其輻射方向發(fā)生偏轉，且交叉極化性能都有所下降，60 GHz下H面交叉極化為-15 dB。對于SPA結構，為降低其交叉極化，可采用光學帶隙(Photonic Bandgap，PBG)結構加載[9]、差分饋電[10]和短路墻加載[11]等技術。文獻[9]中，采用PBG結構，可以將交叉極化由原來的-4 dB降低至-14 dB，但額外PBG結構將增加天線的面積。文獻[10]中，通過采用差分饋電的形式，通過共模抵消將SPA的交叉極化提高至-15 dB，但差分的饋電形式僅適用于特定的場合。文獻[11]中，采用短路墻加載和模式抵消技術，將SPA的交叉極化提高至-21.4 dB，但其結構和設計過程較復雜。

本文基于0.13 μm BiCMOS工藝，從四分之一波長短路微帶天線出發(fā)，通過引入兩個反向短路的耦合寄生貼片，有效地降低了天線H面的交叉極化。同時通過容性加載顯著減小了天線的尺寸。仿真結果顯示，天線增益約為-3.2 dBi，-10 dB相對帶寬為4.4%，E面、H面交叉極化分別為53.7 dB和28 dB，輻射效率大于10%。與傳統(tǒng)四分之一波長短路微帶天線相比，提出的天線-10 dB相對帶寬提高了2.5%，H面交叉極化降低了16.5 dB，天線尺寸縮小了32.5%，天線增益約為-3.2 dBi。

1 片上天線設計

本文所設計的片上天線基于0.13 μm Bi-CMOS工藝，該工藝疊層結構如圖1所示，各層介質材料參數(shù)如表1所示。天線輻射層設計在最表層的MA層金屬上，金屬厚度為4 μm，電導率為3.57×107S/m。天線地層設計在最底層金屬M1層，金屬厚度為0.32 μm，電導率為4.86×107S/m。天線襯底為300 μm厚度的低電阻硅，電阻率為10 Ω·cm，相對介電常數(shù)為11.9。

圖1 BiCMOS工藝結構剖面圖

表1 6DM 0.13 μm BiCMOS工藝各介質層尺寸參數(shù)

相比傳統(tǒng)的半波長微帶天線(Microstrip Patch Antenna, MPA)，四分之一波長短路微帶天線的長度尺寸可以減小一半，且其輻射增益差別卻并不大，但其交叉極化性能將顯著惡化。圖2 (a)、(b)、(c)、(d)分別給出了本片上天線的優(yōu)化設計流程。傳統(tǒng)MPA和SPA的結構和磁流分布圖如圖2(a)、(b)所示。可以看出，MPA 主極化方向(Y方向)的磁流沿中心線成對稱分布，且方向相同，從而實現(xiàn)輻射疊加；反之，交叉極化方向(X方向)的磁流也沿中心線對稱，且左右方向相反，實現(xiàn)交叉極化輻射的抵消，從而呈現(xiàn)良好的交叉極化性能。對于SPA，即將MPAY軸中心線用短路面替代，其交叉極化方向(X方向)無左右的反向磁流，且上下磁流方向相反，呈現(xiàn)交叉極化輻射疊加，導致SPA交叉極化性能的惡化。

圖2 天線結構圖

為了提高SPA交叉極化性能，本文通過在SPA的上下兩邊引入兩個短路面相反的耦合寄生SPA，可以有效降低SPA的交叉極化，其結構如圖2(c)所示?？梢钥闯觯肷舷聝蓚€耦合寄生SPA后，可以在上下兩個平面分別產(chǎn)生兩對方向相反的磁流對M1、M3和M5、M7，從而實現(xiàn)交叉極化輻射抵消，有效降低SPA的交叉極化輻射強度。通過改變寄生貼片的尺寸和間距，可以調節(jié)寄生交叉極化磁流M1、M7的強度，從而降低SPA的交叉極化。圖3給出了SPA在94 GHz下引入寄生貼片和未引入寄生貼片時H面的方向圖。結果顯示，在94 GHz，引入寄生SPA后，天線增益提高了約4 dBi，而且天線H面的交叉極化性能也提高了約12 dB，因寄生貼片對E面交叉極化影響不大，所以本文未給出E面仿真結果。

圖3 94 GHz處有寄生貼片和無寄生貼片H面輻射方向圖

因寄生貼片的耦合作用，還可以引入一個新的諧振點，在一定程度上拓展了天線的帶寬。圖4給出了天線反射系數(shù)隨寄生貼片寬度參數(shù)(W2)的變化結果。結果顯示，當無寄生貼片時，天線反射系數(shù)顯著惡化，且僅有一個諧振頻率。同時，可以看出天線的諧振頻率隨著寄生貼片寬度參數(shù)(W2)的增加，整體向低頻偏移。此外，通過引入寄生貼片，也可以在一定程度上減小天線的尺寸。

圖4 天線反射系數(shù)隨寄生貼片變化情況

為了進一步減小優(yōu)化后SPA的尺寸，本文在SPA和寄生SPA的開路端分別引入了加載電容通過增加天線開路面的電容以達到降低諧振頻率的效果，從而降低天線的尺寸，其結構如圖2(d)所示。由于主SPA和寄生SPA的尺寸不同，因此需要的加載電容并不相同。本文在主SPA末端加載了兩個電容，寄生SPA分別加載了一個電容，電容分布關于天線橫軸呈中心對稱分布。此處的電容采用正方形平板電容結構，用LY層和E1層交疊實現(xiàn)。圖5給出了加載電容變化時，天線S參數(shù)的變化情況。此處，SPA和寄生SPA的平板電容尺寸同時變化ΔW?？梢钥闯?，隨著電容尺寸的增大，天線的諧振頻率逐漸減小，從而實現(xiàn)了天線的尺寸減小。需要注意的是當電容增大的同時，雖然天線的尺寸可以明顯減小，但天線的輻射效率也會隨之降低。因此，加載電容的取值是天線尺寸和輻射性能的折中。

圖5 天線反射系數(shù)隨電容變化情況

(a) 3-D圖

(b) 俯視圖圖6 提出的小型化片上天線結構圖

最終優(yōu)化后的片上天線結構如圖6所示，尺寸參數(shù)如表2所示。本文提出的天線采用50 Ω微帶線直接耦合的饋電方式，通過調整饋電點的位置，可以調節(jié)天線的阻抗。為了實現(xiàn)饋電匹配的簡單化，本文在饋電位置加入了一個匹配電容，用來調節(jié)天線的阻抗。輸入端采用GSG的探針饋電形式，Pad尺寸為50 μm×50 μm，中心間距為100 μm。本文通過將GSG兩端的G pad接地，實現(xiàn)CPW模式到微帶模式的轉換。為了實現(xiàn)最佳的阻抗匹配，S pad底部的地被挖去，以減小S pad到地的電容。仿真結果顯示，GSG pad到微帶線轉換結構的損耗約為0.2 dB，端口反射系數(shù)大于-25 dB。此外，由于本文采用微帶天線結構，與單極子、偶極子結構天線相比，襯底尺寸對本文天線輻射性能的影響相對較小。

表2 優(yōu)化后天線尺寸參數(shù)值 μm

圖7給出了片上天線在94GHz下表面電流和電場的分布圖?？梢钥闯?，通過與輻射貼片的耦合，寄生貼片上的電流和電場被激勵，且激勵的表面電流流向(X軸方向)呈同相分布。同時因寄生貼片的短路面與輻射貼片的短路面關于Y軸對稱，電場強度也關于Y軸呈對稱分布，可見其等效的輻射磁流方向與分析一致。

(a) 電流分布 (b) 電場分布圖7 94 GHz仿真電流和電場分布圖

2 天線仿真結果及對比

為了驗證提出的天線的優(yōu)越性，本文基于傳統(tǒng)SPA天線結構(如圖2)設計了一款工作在94GHz的天線作為對比。仿真采用3D全波仿真軟件HFSS，優(yōu)化后矩形貼片天線尺寸為950μm×385μm。此處，為了對比明顯，傳統(tǒng)矩形貼片天線寬度取值與本文提出天線的總寬度值一致。對比本文提出的天線，輻射體尺寸為950μm×260μm，可見天線面積減小了約32.5%。

圖8給出了傳統(tǒng)矩形貼片天線與提出天線的S參數(shù)對比結果?？梢钥闯?，傳統(tǒng)矩形貼片天線在93.01～94.79GHz反射系數(shù)小于-10dB，相對帶寬為1.9%。提出的天線在92.86～97.05GHz反射系數(shù)小于-10dB，相對帶寬為4.4%，天線-10dB帶寬拓寬了約2.4GHz。

圖8 傳統(tǒng)矩形貼片天線與提出天線的S參數(shù)對比結果

圖9給出傳統(tǒng)矩形貼片天線與提出的天線在94GHz處E面、H面輻射方向圖的對比結果?？梢钥闯觯瑢τ贓面，提出的天線和傳統(tǒng)矩形貼片天線的主極化和交叉極化性能相差不大。對于H面，提出的天線主極化性能與傳統(tǒng)矩形貼片天線相差不大。與傳統(tǒng)矩形貼片天線相比，主極化天線增益下降了約0.75dBi。但與傳統(tǒng)矩形貼片天線相比，H面交叉極化性能提高了約16.5dB，交叉極化性能得到明顯的改善。仿真結果顯示，在94GHz天線E面、H面3dB波束寬度分別為90°和120°，天線增益約為-3.2dBi。E面交叉極化優(yōu)于50dB，H面交叉極化約為28dB。天線輻射效率在94GHz大于10%。

本文天線與傳統(tǒng)矩形貼片天線的整體性能參數(shù)對比結果，如表3所示。與傳統(tǒng)結構相比，本文提出的天線除了增益下降了約0.75dBi和輻射效率下降4%之外，尺寸減小了32.5%，H面交叉極化下降了16.5dB，天線-10dB相對帶寬提高了2.5%。

表3 與傳統(tǒng)矩形貼片天線的整體性能參數(shù)對比

(a) E面

(b) H面圖9 94 GHz處E面、H面輻射方向圖

3 結束語

本文基于0.13 μm BiCMOS工藝，從四分之一波長短路微帶天線出發(fā)，通過引入兩個反向短路的耦合寄生貼片，有效地降低了天線H面的交叉極化。同時通過容性加載顯著減小了天線的尺寸。仿真結果顯示，天線增益約為-3.2 dBi，-10 dB相對帶寬為4.4%，E面、H面交叉極化分別為53.7 dB和28 dB，輻射效率大于10%。與傳統(tǒng)四分之一波長短路微帶天線相比，提出的天線-10 dB相對帶寬提高了2.5%，H面交叉極化降低了16.5 dB，天線尺寸縮小了32.5%，天線增益約為-3.2 dBi。