基于CMOS工艺的60GHz圆形贴片式片上天线

60 GHz CMOS Circular Patch Antenna-on-Chip

Adel Barakat, Ahmed Allam and Adel B. Abdel-Rahman,

Egypt-Japan University of Science and Technology

Hala Elsadek, Electronics Research Institute

Ramesh K. Pokharel, Kyushu University

Aimeric Bisognin, University Nice-Sophia Antipolis and ST Microelectronics

Cyril Luxey, University Nice-Sophia Antipolis and Institut Universitaire de France

本文介绍了一种使用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计制造的60GHz圆形贴片式片上天线（AoC），应用于非对称人工磁导体（AMC）。对于允许的频带，AMC平面的反射系数为正，因此入射与反射波同相。AMC处于工作频率时会产生高阻抗，从而减少了面波并提高了增益。应用方形AMC能够提升圆形AoC的性能。然而，经由冗长的馈线将AoC连接到前端电路时会使得方形AMC单元产生断续，从而影响性能。应用非对称的矩形R-AMC可以成功克服这一问题。将圆形AoC与改良过后的非对称AMC一起使用，能够进一步提高增益。其成品大小仅为1715μm×710μm，具体|S₁₁|参数、增益和辐射方向图见正文。

60GHz频段涵盖了7GHz的免授权频段，可实现高达数千兆字节/秒的数据速率，远超目前无线技术的传输能力。该频段的开发对于许多新兴技术而言意义非凡，包括无压缩高清视频流、无线游戏、互联网接口、大文件快速传输及无线个人局域网等。60GHz频段有许多优点，主要有二：一是氧分子导致的衰减高达10至15dB/km，从而在短距离上可进行频率复用；二是由于60GHz的自由空间波长仅为5mm，有助于天线实现小型化。这些属性使得60GHz系统能够很好地替代当前短距离无线系统^1-3。

片上系统（SoC）将天线、前端和后端电路集成在一个芯片上，是实现低成本无线通信的有效解决方案。AoC与其他电路相集成避免了额外引入天线所增加的材料成本。此外，因为不再需要50Ω的阻抗，天线匹配电路也一并去除。最后，SoC确保了整个无线系统制造过程的一步到位。为了继续降低成本，可使用CMOS工艺这种主流数字技术来实现AoC，尽管CMOS衬底具有低电阻率、高介电常数的特征，AoC的增益和辐射效率方面性能较差^1-16。

用于提高AoC性能的后处理设计方法包括微加工⁴和质子注入⁵。微加工通过选择性地去除AoC下CMOS衬底的损耗部分来增强性能。质子注入则是向AoC覆盖的区域释放高能离子，以提升其电阻率。即便如此，这两种技术因为属于额外的处理步骤，所以还是增加了总成本。使用AMC^3,11-14进行电磁屏蔽是另一种选择。AMC的表面由介质基板上周期性排列的二维或三维结构金属贴片组成，其中心频率处的反射系数为+1，因此能够实现宽带匹配。AMC位于工作频带时，平面的尺寸造成高阻抗，导致面波传播的减弱，从而AoC的辐射效率得以提高。然而，采用对称AMC的AoC增益与有效面积的比值很低。Barakat等人³提出了一个增大比值的措施：在AoC的极化方向上增加AMC单元，并在垂直方向上限制数量。

本文提出了一种使用非对称矩形R-AMC¹⁵的方案，既能提高增益与有效面积比又不影响其他性能。此外，和对称AMC相比，非对称R-AMC对长馈线的插入损耗较小。该设计使用了ANSYS高频结构模拟器（HFSS^®）进行优化，并采用Cadence Virtuoso^®完成版图，最终由0.18μm CMOS技术实现。

搭载于方形AMC的圆形AoC

AMC表面的反射相位随频率变化于±180°间浮动，在谐振频率处等于零。一般认为，AMC的有效带宽位于±90°之间³。AMC的百分比带宽可由式1表示为：

其中f_up及f_lo分别是使反射相位等于+90°和-90°的频率，f_c为反射相位等于0°时的中心频率。

图1a为一个方形AMC单元³，图1b是其反射相位响应的优化仿真。由理想电边界（Perfect-E）及理想磁边界（Perfect-H）我们得到了周期性边界条件（PBC）。AMC单元采用波端口激励；表面具有反射系数（S₁₁），可据此演算出反射相位的角度值。AMC的最优尺寸为d=260μm，g=30μm，带宽为16.5％。

图1. 方形AMC的两个单元（a）、HFSS配置（b）、反射相位（c）

Cohn¹⁶提出了利用方形AMC提高圆形AoC性能的方法。根据他的阐述，通过增加AMC单元在天线极化方向上的个数并减少在法向上的量，能够提高AoC的增益与有效面积比。图2a及2b展示了搭载于最优化AMC平面的圆形AoC，最优尺寸详见表1。图2c为|S₁₁|的仿真结果，带宽为18GHz。此外，由仿真可得60GHz时增益及效率分别为-0.8dBi和22.5％，如图2d所示。

图2. 搭载于AMC平面的圆形AoC的俯视图（a）、三维图（b）、模拟|S₁₁|值（c）、模拟峰值增益及效率值（d）

搭载于非对称R-AMC的圆形AoC

图3a描绘了自由空间中射向“Cohn方块”的TM波，其电场位于yz平面，磁场沿x方向分布。观察到方形AMC平面上，平行于y轴的边之间的电场消失，导致方形AMC退变成了一排长条形非对称R-AMC，如图3b所示¹⁷。

图3. TM波入射AMC平面示意图，位于yz平面的电场（a），原始AMC以及等效非对称AMC（b）

图4a展示了载于非对称R-AMC的圆形AoC，和方形AMC一样可以得到最优尺寸。图4b对比了圆形AoC与非对称R-AMC和方形AMC配对时|S₁₁|的仿真结果：两者谐振频率一致，匹配性能也大致相同。图4c进一步对比了增益及效率，表现基本一致。同样的，我们从图4d可以看到，两种情况下的电场分布也几乎一样。这些观察结果表明，方形AMC和不对称R-AMC可相互替换应用于TM模天线中。

图4. 搭载于非对称AMC平面的圆形AoC的俯视图（a）、模拟|S₁₁|值（b）、模拟峰值增益及辐射效率（c）、方形AMC（左）和非对称R-AMC（右）的电流密度（d）

搭载于改良版非对称R-AMC的圆形AoC

为了进一步提高AoC的增益与有效面积比，图5中针对不对称R-AMC平面进行了修改，移除了AoC正下方的两个单元。这种通过削减AMC单元以提高增益的方法最初是由X. Bao等人¹¹提出的。另外，每个单元的长度限制为860μm到710μm，因为该方向上的增益性能影响可忽略不计。除此之外，如图5a所示，通过加厚贴近AoC的AMC单元，再调整AoC与改良后AMC单元的间隙“d1”和AMC单元本身之间的间隔“d2”，整体输入匹配性能有所提升。天线的|S₁₁|仿真和峰值增益响应结果见图5b，在60GHz处具有0dBi的增益，其面积仅为1.19mm²。

图5. 搭载于非对称R-AMC平面的圆形AoC的俯视图（a）、模拟|S₁₁|值及峰值增益（b）

版图、制造及测量

图6a为搭载了改良版不对称R-AMC平面的圆形AoC的版图，馈源位置略有调整，总体大小为1715μm×710μm。图6b和6c分别是AoC芯片的成品图及相应测量装置。天线的测量由Pan等人¹⁹描述的装置进行，采用100μm的Infinity^®探针，并由Cascade 101-190套件进行校准。AoC由对EM波几乎不可见的支撑泡沫架起，芯片下方放置了一块金属以解决接地问题。图6d记录了成品AoC的实际|S₁₁|，参考仿真结果可见吻合度良好。

图6. 搭载于改良版非对称R-AMC平面的圆形AoC的版图（a）、芯片实物图（b）、测量装置（c）、|S₁₁|的模拟与测量值（d）

图7a进一步比对了峰值增益响应的实际值与模拟值。鉴于成品AoC位于芯片的角落，我们在图上将其模拟增益以“无金属”标识，与测量结果进行比较。一开始，两者之间有多达4dB的出入。因为仿真环境不存在金属制品¹⁸，该差异的出现可能是因为没有考虑到附近金属、探头和探针主体的影响。图7b的仿真模型纳入了金属体的作用，探头也参照Pan等人¹⁹的建议进行了建模。图7a中的标为“有金属”的模拟峰值增益与测量结果较为接近，尤其是在小于58GHz的前半段。尚存的差值可能是由于还存在一些其他未被加入模型的金属，也可能是由于测量装置存在±0.8dB的精度误差¹⁸。

图7. 增益的模拟与测量值（a），HFSS模型（b）

由图7b的坐标系可知E面和H面分别位于XZ及XY平面。辐射方向图如图8所示，可以看到二者的图样都存在一些扭曲，E面尤甚。

图8. E面（上）和H面（下）辐射方向图，蓝色为测量值、红色为模拟值： 56GHz时（a），60GHz时（b），64GHz时（c）

表2列举了本设计与其他案例的性能比较，峰值增益虽基本相当或略低，不过芯片尺寸是最小的。

总结

本文提出了一种非对称R-AMC设计，用于增强圆形AoC的增益并减小其尺寸。天线在60GHz时模拟峰值增益为-0.4dBi。成品采用0.18μm CMOS技术制造，总大小1.22mm²，60GHz时测得实际峰值增益为-4.3dBi。考虑到探针和AoC周围金属对性能的影响，通过对成品进行重新建模，仿真结果与实际情况的初始差异可以得到消除。在低于58GHz的频段上，测量值与模拟值基本达成一致。对于较高的频率，1.5dB量级的差值可能是由于仿真中其他一些没有考虑到的因素所导致的。辐射图的仿真与测量结果吻合良好。

参考文献

1. P. Smulders, “Exploring the 60 GHz Band for Local Wireless Multimedia Access: Prospects and Future Directions,” IEEE Communications Magazine, Vol. 40, No. 1, January 2002, pp.140–147.
2. F. Gutierrez, S. Agarwal, K. Parrish and T. S. Rappaport, “On-Chip Integrated Antenna Structures in CMOS for 60 GHz WPAN Systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 27, No. 8, October 2009, pp.1367–1378.
3. A. Barakat, A. Allam, R. K. Pokharel, H. Elsadek, M. El-Sayed and K. Yoshida, “Compact Size High Gain AoC Using Rectangular AMC in CMOS for 60 GHz Millimeter Wave Applications,” IEEE International Microwave Symposium Digest, June 2013, pp. 1–3.
4. R. Wang, Y. Sun, M. Kaynak, S. Beer, J. Borngräber and J. C. Scheytt, “A Micromachined Double-Dipole Antenna for 122 – 140 GHz Applications Based on a SiGe BiCMOS Technology,” IEEE International Microwave Symposium Digest, June 2012, pp. 1–3.
5. K. T. Chan, A. Chin, Y. P. Chen, Y. D. Lin, T. S. Duh and W. J. Lin, “Integrated Antennas on Si, Proton-Implanted Si and Si-on-Quartz,” International Electron Devices Meeting Technical Digest, December 2001, pp. 40.6.1–40.6.4.
6. H. M. Cheema and A. Shamim, “The Last Barrier: On-Chip Antennas,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 14, No. 1, January 2013, pp. 79–91.
7. A. Shamim, L. Roy, N. Fong and N. G. Tarr, “24 GHz On-Chip Antennas and Balun on Bulk Si for Air Transmission,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, No. 2, February 2008, pp. 303–311.
8. Y. P. Zhang, M. Sun and L. H. Guo, “On-Chip Antennas for 60-GHz Radios in Silicon Technology,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 52, No. 7, July 2005, pp. 1664–1668.
9. S. S. Hsu, K. C. Wei, C. Y. Hsu and H. R. Chuang, “A 60-GHz Millimeter-Wave CPW-Fed Yagi Antenna Fabricated by Using 0.18-μm CMOS Technology,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 20, No. 6, June 2008, pp. 625–627.
10. P. H. Park and S. S. Wong, “An On-Chip Dipole Antenna for Millimeter-Wave Transmitters,” IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, June 2008, pp. 629–632.
11. X. Y. Bao, Y. X. Guo and Y. Z. Xiong, “60-GHz AMC-Based Circularly Polarized On-Chip Antenna Using Standard 0.18-μm CMOS Technology,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 60, No. 5, May 2012, pp. 2234–2241.
12. L. Jiang, J. F. Mao and K. W. Leung, “A CMOS UWB On-Chip Antenna with a MIM Capacitor Loading AMC,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 59, No. 6, June 2012, pp. 1757–1764.
13. H. H. Yeh, N. Hiramatsu and K. L. Melde, “The Design of Broadband 60 GHz AMC Antenna in Multi-Chip RF Data Transmission,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 61, No. 4, April 2013, pp. 1623–1630.
14. S. Pan, F. Caster, P. Heydari and F. Capolino, “A 94 GHz Extremely Thin Metasurface-Based BiCMOS On-Chip Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 62, No. 9, September 2014, pp. 4439–4451.
15. A. Barakat, A. Allam, H. Elsadek, H. Kanaya and R. K. Pokharel, “Small Size 60 GHz CMOS Antenna-on-Chip: Gain and Efficiency Enhancement Using Asymmetric Artificial Magnetic Conductor,” European Microwave Conference, October 2014, pp. 104–107.
16. S. Cohn, “Electrolytic Tank Measurements for Microwave Metallic Delay-Lens Media,” Journal of Applied Physics, Vol. 21, No. 7, July 1950, pp. 674–680.
17. S. Clavijo, R. R. Diaz, W. E. McKinzie, “Design Methodology for Sievenpiper High-Impedance Surfaces: An Artificial Magnetic Conductor for Positive Gain Electrically Small Antennas,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 51, No. 10, October 2003, pp. 2678–2690.
18. D. Titz, F. Ferrero and C. Luxey, “Development of a Millimeter-Wave Measurement Setup and Dedicated Techniques to Characterize the Matching and Radiation Performance of Probe-Fed Antennas,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 54, No. 4, August 2012, pp. 188–203.
19. S. Pan, L. Gilreath, P. Heydari and F. Capolino, “Investigation of a Wideband BiCMOS Fully On-Chip W-Band Bowtie Slot Antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.12, June 2013, pp. 706–709.