第六卷 第四期 - 2008年十月三十一日
利用0.18-μm CMOS製程之60-GHz 毫米波共面波導饋入式Yagi天線
許順盛、魏國治、許承穎、莊惠如*

國立成功大學電機資訊學院電腦與通信工程研究所
chuang_hr@ee.ncku.edu.tw

IEEE Electron Device Letters, vol. 29, no. 6, pp. 625 – 627, June 2008.

標準大小   字體放大
簡介
年來,寬頻多媒體應用需求造成無線網路容量的持續增長。尤其是密集的短距離通信,而60-GHz無線個人區域網路(WPAN)尤其適合應用在段距離無線通信上,因為在含氧大氣中的衰減量可達到每公里10到15 dB,且頻寬可達到8-GHz。使得60-GHz頻帶在短距離無線通信系統成為一具吸引力之選擇[1]。為了達到60-GHz射頻系統嵌入式晶片與平價積體化CMOS射頻前端嵌入式晶片天線電路的要求,毫米波CMOS 射頻積體電路(RFICs) 與嵌入式晶片天線開始被研究[2]-[4]。而在2006年,利用低阻抗性矽基板所製造的晶片型倒F型天線已經被提出[5],而所設計之60-GHz CMOS 晶片型共平面饋入Yagi 天線也已經被發表,且所發表之天線是利用0.18 μm CMOS 製程所製造。而不同架構之平面型共平面波導饋入方式之 Quasi-Yagi 天線也已經被發表,且在X-band的頻帶中,接地面常被用來當成反射金屬使用[6]-[7]。在本文的設計中,是使用0.18 μm CMOS製程配合如圖一所示之六層金屬層來實現所設計之嵌入式晶片天線,且在饋入時是利用簡單的共平面波導轉共平面帶線的方式進行轉換[8],利用第一層金屬層來作為反射帶。本文所提出之嵌入式晶片天線方式可簡化一般在設計Quasi-Yagi 天線時所需面臨之複雜的饋入網路。而所設計之天線是利用HFSS 電磁模擬軟體進行模擬,實作完成後是利用微波探針進行晶圓及量測,以量測得所設計之嵌入式晶片天線的駐波比與功率增益。       
圖二、Yagi嵌入式晶片天線之HFSS模擬饋入點概要圖
圖一、60-GHz共面波導饋入CMOS Yagi嵌入式晶片天線之架構圖


天線設計
圖三、(a)CMOS晶片天線之顯微鏡照片圖、(b)模擬與量測之天線輸入駐波比

60-GHz嵌入式晶片天線架構圖如圖一所示,Yagi天線主要包含三個元件:供電之源振子(driven element)、反射器(reflector element)、引向器(director element)還有接地面(ground plane)。除了反射器(reflector element)是放在第一層金屬層(M1)之外,其他的元件則是放在第六層金屬層(M6)。如圖二所示,利用傳輸線轉換方式,將訊號輸入端之共面波導(CPW)轉換成共面帶線(CPS);文中也概述在嵌入式晶片上利用HFSS軟體設port方式,並且也會考慮到輻射邊界條件;在共面波導(CPW)轉換成共面帶線(CPS)中,利用導通孔(via)和連接橋(bridge, M1)連接兩條帶線,而接橋(bridge, M1)主要是為了讓兩個接地面等電位[8]-[9]。根據Yagi天線原理,供電之源振子(driven element)、反射器(reflector element)和引向器(director element)的長度分別是0.5λeff,0.6λeff和0.45λeff[10]。其中,λeff為等效波長,而等效介電常數值εeff可由矽基板之介電常數值εr 獲得(εeff = (εr+1)/2)[11][12]。表一為Yagi晶片天線輻射特性總結。
表一 Yagi晶片天線輻射特性總結

模擬與量測結果
圖四、60-GHz天線輻射功率場形模擬之 XY和YZ平面
圖五、量測天線功率增益在晶圓級(on-wafer)上之裝置圖

圖三為CMOS晶片天線之顯微鏡照片圖以及模擬與晶圓上之天線(on-wafer)量測之天線輸入駐波比;此天線晶片尺寸為 1.1 × 0.95 mm2,量測與模擬之輸入駐波比在55到65 GHz間低於2。圖四為60-GHz天線輻射功率場形模擬之 XY和YZ平面,由模擬所得之天線場形可看出天線之最大功率增益為-8 dBi以及前後輻射比約為9 dB。不過在此要注意天線功率增益Gp之定義:

Gp = 方向性增益(directive gain) × 輻射效益(radiation efficiency)     (1)

天線模擬之輻射效益為10%,推測為CMOS基板損耗所致,晶圓上之天線功率增益(on-wafer)量測方式如[13]所示,在晶圓級(on-wafer) 天線功率增益量測當中,將兩個相同的嵌入式晶片以距離(R)面對面平放,如圖五所示,一個天線當作發射端天線,另一個天線當做接收端天線。天線分別擺放距離為R要滿足遠場條件[13]:            

D為天線面積最大直徑,λ0則為自由空間中工作頻率的波長。從Friis功率傳輸公式可知,天線最大功率增益定義為:
                       (2)               
GtGr分別為發射端及接收端之天線功率增益,因為利用兩個相同天線量測,因此Gt = Gr = G。Pt 為發射端功率而Pr 則為接收端功率,功率比(Pr / Pt)等於從向量網路分析儀直接量測值之傳輸係數(),天線最大功率增益在60-GHz量測值大約為-10 dBi。表一為Yagi晶片天線輻射特性總結。表二所示為60-GHz CMOS嵌入式晶片天線特性比較表。
表二 60-GHz CMOS嵌入式晶片天線特性比較表

結論

本論文提出ㄧ應用於60-GHz無線個人網路收發機之毫米波CMOS嵌入式晶片天線。此CMOS 嵌入式晶片天線在實現上是採用 0.18 μm 標準CMOS製程所製作,而所完成之天線晶片尺寸為 1.1 × 0.95 mm2。在天線饋入網路部份是採用共平面波導的方式來進行饋入。與其他Quasi-Yagi天線做比較,本文提出利用六層金屬層,且採用0.18 μm CMOS製程所製作之Yagi天線,其特點是利用第一層之金屬層作為反射器。在量測時是採用晶圓用探針量測(on-wafer)方式,可測得嵌入式晶片天線之輸入駐波比與最大的天線功率增益。而在模擬時之天線輻射效率約為10%,推測為CMOS基板損耗所致,而由模擬所得之天線場形可看出所設計之天線之前後輻射比約為9 dB。量測所得之輸入駐波比在55到65 GHz間低於2,最大的天線功率增益在60-GHz時約為 -10.6 dBi,且所設計之嵌入式晶片Yagi 天線適用於60-GHz CMOS 單晶片射頻收發機。

致謝

感謝財團法人國家實驗研究院之國家系統設計晶片中心提供TSMC CMOS製程

參考文獻

1.P. Smulders, “Exploring the 60 GHz band for local wireless multimedia access: Prospects and future directions,” IEEE Commun. Mag., vol. 40, no. 1, pp. 140–147, Jan. 2002.
2.C. H. Doan, S. Emami, A. M. Niknejad, and R. W. Brodersen, “Design of CMOS for 60 GHz applications,” in Proc. IEEE Solid-State Circuits Conf., 2004, pp. 440-449.
3.Y. P. Zhang, M. Sun, and L. H. Guo, “On-chip antennas for 60-GHz radios in silicon technology,” IEEE Trans. Electron Devices., vol. 52, no. 7, pp. 1664-1668, Jul. 2005.
4.A. B. M. H. Rashid, S. Watanabe, and T. Kikkawa, “High transmission gain integrated antenna on extremely high resistivity Si for ULSI wireless interconnect,” IEEE Electron Device Lett., vol. 23, no. 12, pp. 731–733, Dec. 2002
5.Y. P. Zhang, L. H. Guo, and M. Sun, “High transmission gain inverted-F antenna on low-resistivity Si for wireless interconnect,” IEEE Electron Device Lett., vol. 27, no. 5, pp. 374–376, May 2006.
6.H. K. Kan, R. B. Waterhuse, A. M. Abbosh and M. E. Bialkowski, “Simple broadband planar CPW-fed quasi-Yagi Antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, Apr. 2007
7.J. Sor, Y. Qian, and T. Itoh, “Coplanar waveguide fed quasi-Yagi antenna,” Electron. Lett., vol. 36, no. 1, pp. 1-2, Jan. 2000
8.D. Prieto, J. C. Cayrout, J. L. Cazaux, T. Parra, and J. Graffeuil, “CPS structure potentialities for MMICs: a CPS/CPW transition and a bias network,” in Proc. IEEE MTT-S Int. Symp., vol. 1, 1998, pp. 111-114
9.K.-P. Ma, Y. Qian, and T. Itoh, “Analysis and Applications of a New CPW–Slotline Transition,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 4, pp. 426–432, Apr. 1999.
10.C. A. Balanis, Antenna Theory and Design, 3rd ed. New York: Wiley, 2005, ch. 10.
11.H.-R. Chuang and L.-C. Kuo, “3-D FDTD Design Analysis of A 2.4 GHz Polarization-Diversity Printed Dipole-Antenna with Integrated Balun and Polarization-Switching Circuit for WLAN and Wireless Communication Applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 51, no. 2, pp.374-381, Feb 2003.
12.L.-C. Kuo, and H.-R. Chuang “A Study of Printed Dipole Antennas For Wireless Communication Applications,”Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 21, no. 5, pp. 637-652, Jan, 2007.
13.R. N. Simons and R. Q. Lee, “On-wafer characterization of millimeter wave antennas for wireless application,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 1, pp. 92–96, Jan. 1999.
< 上一篇
下一篇 >
Copyright National Cheng Kung University