94GHz毫米波CMOS片上侧射与端射微带天线的研究

发布时间：2017-10-17 05:01

  本文关键词：94GHz毫米波CMOS片上侧射与端射微带天线的研究

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【摘要】：以94GHz为中心频率的W波段(75-110GHz)大气窗口有宽达23GHz的带宽,是宝贵的频谱资源。相比于红外频段电磁波和可见光,毫米波在大气中衰减小,穿透性好,大部分低能见度的天气条件对它的影响不大。诸多的优点使毫米波适合应用在雷达与制导系统,毫米波电子对抗,毫米波通信等诸多领域。这些促使了毫米波段固态电路、尤其是集成电路的飞速发展。集成电路拥有诸多例如体积小,大批量生产的成本低等优点,而作为当前主流的集成电路制造工艺,CMOS技术是毫米波集成电路制造的上佳选择。由于毫米波片上天线的研究对对毫米波集成电路系统单芯片(System-on-Chip)的实现具有关键性的意义,并且是一种提供片间与片内互连的解决方案,CMOS工艺的片上天线成为近些年国内外研究的热点,本文对94GHz CMOS工艺片上天线做了研究与设计。首先,本文第一章介绍了国内外片上天线的研究现状,介绍了基于低阻和高阻基底工艺的片上天线以及当前流行的片上天线技术:例如人工磁导体(AMC)技术与介质谐振技术等。第一章还阐述了系统单芯片集成天线的重要性以及阻碍。第二章简单介绍了本文天线用到的工艺和主要技术。CMOS工艺虽拥有多优势,但是其运用的低阻抗硅基底给片上天线研究带来很大的困难,因为它给片上天线的辐射造成了严重的损耗。介质谐振是本文用于提高片上天线的效率与增益,获得理想方向图的关键手段,不同的谐振模式、好的设计能够使片上天线性能实现质的飞跃,弥补低阻硅带来的缺陷。本文第三章我们介绍了94GHz微带片上天线设计的基本思路和片上天线测试方案,与现今主流的片上天线设计思路不同,微带天线技术为本文片上天线的设计提供了思路,因为其金属地的结构可以对天线辐射方向有一定的限定作用,从而减少低阻硅带来的损耗。并且运用微带型式可以使设计成本大大降低,增加了集成的灵活度,并且同时片上天线获得了良好的性能。我们验证了二氧化硅(SiO2)层的厚度的增加会使微带结构片上天线的增益提高。第四章我们对相同结构天线加载不同的矩形介质块,对不同天线结构加载相同矩形介质块,得到了性能更好的片上天线,他们的尺寸非常小,并且拥有很宽的绝对带宽和侧射与端射的性能,并且在二氧化硅层非常薄的情况下达到了较高的效率与增益。
【关键词】：毫米波 CMOS工艺 微带天线 介质谐振
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN822
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 片上天线的研究背景与意义10-11
• 1.2 片上天线国内外研究现状与发展态势11-16
• 1.2.1 基于CMOS和锗化硅工艺的片上天线12-15
• 1.2.2 基于砷化镓工艺，，运用高阻基底和其他工艺的片上天线15-16
• 1.3 本文的主要贡献与创新16-17
• 1.4 本论文的结构安排17-19
• 第二章 CMOS工艺以及介质谐振理论19-27
• 2.1 一般 0.18微米CMOS工艺19-21
• 2.2 不利于片上天线的特性21
• 2.3 CMOS工艺片上天线的版图设计21-22
• 2.4 矩形介质谐振器22-23
• 2.5 介质谐振天线23-25
• 2.5.1 矩形介质谐振天线的微带馈电25
• 2.6 本章小节25-27
• 第三章 94GHZ微带结构片上天线的设计27-36
• 3.1 CMOS片上天线关注的性能参数27-29
• 3.1.1 带宽与片上天线带宽设计的便利27-28
• 3.1.2 辐射效率以及CMOS工艺对其的影响28
• 3.1.3 增益：CMOS片上天线普遍较低的指标28-29
• 3.2 微带圆形贴片片上天线的设计29-32
• 3.3 二氧化硅层厚度的影响32-33
• 3.4 CMOS片上天线测试方案33-35
• 3.5 本章小节35-36
• 第四章 加载介质块的微带结构片上天线36-58
• 4.1 加载单个矩形介质块的片上天线36-44
• 4.1.1 钝化层与胶的厚度与介电常数的影响38-40
• 4.1.2 加载不同矩形介质块实现端射效果40-44
• 4.2 加载双矩形介质块的侧射片上天线44-52
• 4.2.1 双介质谐振的W波段小面积化端射片上天线49-52
• 4.3 本章小节52-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 总结58-59
• 5.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-67
• 攻读硕士学位期间取得的成果67-68

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本文编号：1046904