天华中威科技微波小课堂_基于GaN工艺的6G无线通信用片上天线

介绍了一种基于SiC衬底的142GHz片上天线(OCA)。我们采用标准的0.1um GaN毫米波单片集成电路(MMIC)工艺技术来制作天线。为了使信号传输模式过渡平缓，该天线采用化合物半导体工艺中的空气桥结构进行交叉连接。设计的天线在132GHz时，仿真得到的峰值增益为5dBi，峰值辐射效率为94%。制造的天线芯片尺寸为1.2×1 mm²。设计并实现了132GHz的1×2阵列;仿真峰值增益大于7.1dBi，辐射效率大于86%。阵列天线芯片尺寸为 2.4×1.5 mm²。

1. 引言

超高数据速率的需求正在不断推动着无线通信的发展。针对 6G 通信系统的研究也在逐步的开展。目前 FCC已经开放了 95 GHz 到 3 THz 之间的频谱，可用于开发新的应用程序和服务系统。而片上天线可以有效的解决该频段的天线问题，即传统制造技术难以精确地制造太赫兹天线，并且通过天线的片上集成可以实现与芯片的高频互连，达到完全集成的无线系统。这是非常具有吸引力的研究方向。因此，目前学术界针对片上集成天线开展了大量的研究。

但是传统的硅衬底并不适合片上天线，尽管目前绝大多数片上天线都是基于 CMOS 工艺的。根据，在硅衬底上实现的偶极子天线，只有 3%的功率辐射到空气中，其余功率耦合到衬底中。在硅衬底上提高天线增益和效率的方法也有文献提出了一些方案，但每一种都需要独特的工艺步骤或复杂的设计方法。因此，使用 GaN芯片来设计片上天线是一个非常新颖的思路。并且，目前还没有使用 GaN芯片工艺制作太赫兹片上天线的文献发表。同时 GaN 片上天线与 GaNMMIC 芯片可以实现全片上集成，空气桥结构可以为天线提供传输模式的平稳过渡，进一步提高天线的辐射效率和增益。

2. 天线设计和制造

2.1 制造技术

天线是使用我们研究中心的标准GaN MMIC 加工工艺设计的。图 1 显示了 GaN MMIC 的横截面。在厚度为 70 μm 的半绝缘 SiC 衬底上。金属“in”厚度为 2.2 μm，是芯片微带线的主要金属层。空气桥层，对应图中的“tin”，高度为 0.5 μm，厚度为2 μm。采用研磨工艺降低衬底厚度后，进行 Ti/Au (700/7000 μm)堆叠的背面金属蒸发。

图 1 GaN MMIC 芯片截面

2.2 天线设计

所提出的OCA的几何结构如图2所示。图 1 中的金属“in”和“tin”用于天线设计。OCA 采用准八木天线结构，由驱动单元和由馈电的共面波导地平面构成的反射面组成。驱动单元是一个印刷偶极子。

图 2 (1)设计的片上天线. (b) GCPW 到 CPS模式转换结构。

图 2 显示天线由“a”和“b”两个气桥组成。使用空气桥结构“a”实现从 GCPW模式到 CPS 模式的平缓转换。由于槽线不支持 GCPW 模式，因此沿该方向的场将从槽线段的前沿反射。当反射的 GCPW 模式再回到空气桥的前沿时，它再次生成 GCPW和槽线模式。为了将槽线模式反射回来，可以在模式转换部分的前端插入一个空气桥“b”。使用这种方法可以提高从 GCPW 到CPS 模式的转换效率。同时设计了一个间距为 940 μm 的 1×2阵列，验证了所提出的天线在太赫兹频段的适用性。微带 T 型结构功率分配器给天线阵列馈电，天线元件与单天线相同。图 3 为 T型结构功率分配器，图 4 为设计的阵列天线结构。

图 3 设计的 T 型结构功率分配器。

图 4 设计的阵列片上天线。

使用商用 Ansoft HFSS 对设计的天线进行了仿真和优化，使其在预期的工作频率下具有较宽的带宽和良好的辐射性能。表I列出了图 2、图 3、图 4 中天线和 t 型结构功率分配器的理想尺寸。

表I 天线参数值 (单位: μm)

3. 仿真结果

图 2 中的太赫兹天线的尺寸在表中可以找到。在图 5 中，展示了仿真得到的片上天线反射系数、增益、EH 面仿真结果。从 109 GHz 到 156 GHz，反射系数保持在-10 dB 以下。天线带宽约为 36%。在 132GHz 时，仿真得到的峰值辐射效率为 94%。该天线的辐射效率和增益优于许多 CMOS 天线。

图 5 仿真得到的反射系数、增益、EH面

仿真得到的 T 型结构功率分配器S 参数如图 6 所示。可以看出，功率分配器的带宽为 54%。天线阵列的反射系数、增益、EH 面仿真结果如图 7 所示。在 132GHz 时，仿真得到的峰值辐射效率为 86%。

图 6 T 型结构功率分配器仿真结果

图7 仿真得到的阵列天线反射系数、增益、EH面。

4. 结论

本研究讨论了采用 GaN MMIC 技术实现片上天线的设计过程和仿真性能，通过该技术可以实现天线与 GaN芯片的单片集成。天线的工作频率范围为 109GHz 至 156GHz，可用于下一代 6G 无线通信。同时采用空气桥结构，可以实现平稳的传输模式转换。设计了空气桥结构的单天线和 1×2 阵列天线。设计的单天线在 132GHz 时增益为5 dBi，效率最高为 94%。