一种蘑菇型人工磁导体结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人工磁导体，特别涉及一种蘑菇型人工磁导体结构及其所构成的偶极子天线和单端电感。
【背景技术】
[0002]片上天线与片上螺旋电感等是组成射频集成电路的重要无源元件，广泛地应用于低噪声放大器、功率放大器、混频器等电路模块中。
[0003]采用CMOS工艺实现的集成电路能够大大降低成本。但CMOS工艺以硅材料为衬底，具有较高的介电常数和电导率，高介电常数使片上天线辐射的大部分电磁能量以表面波的形式存在于硅衬底中，而硅衬底高电导率使得存在于表面波的电磁能量大部分以热的形式耗散，从而导致CMOS工艺片上天线辐射效率低。
[0004]片上螺旋电感由于电流路径为螺旋状，在高频下会感应出漩涡电流，由于硅衬底的电导率偏高，漩涡电流通过硅衬底而传导，导致片上螺旋电感的品质因数降低。
【发明内容】
[0005]为克服上述现有技术的缺陷与不足，本发明提供一种蘑菇型人工磁导体结构及其所构成的偶极子天线和单端电感。
[0006]本发明的方案是:
[0007]一种蘑菇型人工磁导体结构，包括两条呈十字型交叉、长度相等的中心金属条，两条中心金属条的交叉处通过金属过孔接地，每条中心金属条上还带有若干一端与其所接触的中心金属条垂直的垂直金属条，所述垂直金属条的长度是中心金属条的一半，每条中心金属条上的垂直金属条数量相等，且呈中心对称分布。
[0008]优选的，位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为横向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为纵向金属条。
[0009]优选的，位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为纵向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为横向金属条。
[0010]优选的，所述蘑菇型人工磁导体结构为CMOS工艺结构第一层或其他非顶层金属构成。
[0011]优选的，所述中心金属条和垂直金属条的宽度为1.8-2.2微米，垂直金属条之间的间隙与中心金属条的宽度相等，中心金属条的长度为81-99微米。
[0012]一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的偶极子天线，所述偶极子天线由CMOS工艺结构的顶层金属构成，分为两个单臂，两个单臂的中心处为馈点，所述CMOS工艺结构的第一层金属为由4 X 10个权利要求1-5任意一项所述的蘑菇型人工磁导体结构。
[0013]优选的，所述偶极子天线单臂长为438.5-536.5微米，宽为11-14微米。
[0014]一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的单端电感，所述单端电感包括由CMOS工艺结构的顶层金属构成的螺旋电感线，和由次顶层金属构成的金属过线，所述CMOS工艺结构的第一层金属为3 X 3个权利要求1-5任意一项所述的蘑菇型人工磁导体结构，所述蘑菇型人工磁导体结构位于螺旋电感线的正下方。
[0015]优选的，所述螺旋电感线的外径为252-308微米，螺旋电感线与过线宽为9_11微米，螺旋电感线的间距为0.8-1.2微米。
[0016]本发明的有益效果:
[0017](I)本发明提出的一种蘑菇型人工磁导体结构，该结构能够与CMOS工艺兼容，在片上天线与硅衬底间起到电隔离的作用，并在特定频段内具有抑制表面波的特性，进而提高片上天线辐射效率；
[0018](2)本发明提出的蘑菇型人工磁导体结构不仅能够提高片上天线辐射效率，而且能够隔离片上螺旋无源元件的漩涡电流，提高片上螺旋无源元件的品质因数。
【附图说明】
[0019]图1为本发明提出的蘑菇型人工磁导体单元结构图；
[0020]图2为加载本发明人工磁导体结构的偶极子天线版图结构；
[0021]图3为传统单端电感版图结构；
[0022]图4为加载本发明人工磁导体结构的单端电感版图结构；
[0023]图5为本发明所述【具体实施方式】的蘑菇型人工磁导体结构的反射相频特性曲线；
[0024]图6为本发明实施例的蘑菇型人工磁导体结构的反射幅频特性曲线；
[0025]图7为传统单端电感与加载本发明人工磁导体结构的单端电感的品质因数比较图；
[0026]图8为传统单端电感与加载本发明人工磁导体结构的单端电感的电感值比较图。
【具体实施方式】
[0027]如图1所示，本发明所揭示的蘑菇型人工磁导体结构，包括两条呈十字型交叉、长度相等的中心金属条I，两条中心金属条的交叉处通过金属过孔接地，每条中心金属条上还带有若干一端与其所接触的中心金属条垂直的垂直金属条2，所述垂直金属条的长度是中心金属条的一半，每条中心金属条上的垂直金属条数量相等，且呈中心对称分布。除中心金属条外，其余金属条互不相交。位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为横向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为纵向金属条(或者位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为纵向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为横向金属条)。
[0028]所述蘑菇型人工磁导体结构为CMOS工艺结构第一层或其他非顶层金属构成。所述中心金属条和垂直金属条的宽度w统一选择为2微米，垂直金属条之间的间隙s与中心金属条的宽度相等，也为2微米，中心金属条的长度dl = 90微米。蘑菇型人工磁导体结构构成的蘑葫型人工磁导体单元长度d = 96微米。
[0029]如图2所示，本实施例提供了一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的偶极子天线，所述偶极子天线由CMOS工艺结构的顶层金属构成，分为两个单臂3，两个单臂的中心处为馈点4，所述CMOS工艺结构的第一层金属为由4 X 10个上述的蘑菇型人工磁导体结构。所述偶极子天线单臂长为487.5微米，宽为12.5微米。
[0030]图3所示为传统的单端电感结构，所述单端电感包括由CMOS工艺结构的顶层金属构成的螺旋电感线5，和由次顶层金属构成的金属过线6。图4提供了一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的单端电感，除包括上述螺旋电感线和金属过线外，所述CMOS工艺结构的第一层金属为3X3个上述的蘑菇型人工磁导体结构，所述蘑菇型人工磁导体结构位于螺旋电感线的正下方。所述螺旋电感线的外径为280微米，螺旋电感线与过线宽为10微米，螺旋电感线的间距为2微米。
[0031]利用电磁场仿真软件，对本发明的蘑菇型人工磁导体结构单元进行了仿真。图5与图6分别显示本发明实施例的蘑菇型人工磁导体结构的反射相频与幅频特性曲线，其中相位参考平面选择在顶层金属上。由图5可以看出，反射相位在-90度至90度范围内对应的频率为51.5GHz至66.8GHz，反射相位为零对应的频率为59.3GHz。由此可知该结构人工磁导体可以用于60GHz毫米波片上天线设计，可用带宽为15.3GHzo
[0032]本发明技术不仅能够用片上天线，而且能够用来提高片上螺旋电感的品质因数。图7显示了传统单端电感与加载本发明技术人工磁导体结构螺旋电感的品质因数比较。由图7可以看出，与相同结构的传统单端片上电感相比(Q最大值12.5/1.3GHz)，新技术单端电感最高品质因数(Q最大值15.9/2.1GHz)提高了 27.7%。图8显示了传统单端电感与加载本发明技术人工磁导体结构螺旋电感的电感值比较。由图8可以看出，加载本发明技术人工磁导体结构对片上螺旋电感感值影响不大。
[0033]本发明技术也可以应用于片上螺旋变压器等其他片上螺旋无源元件。
[0034]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种蘑菇型人工磁导体结构，其特征在于:包括两条呈十字型交叉、长度相等的中心金属条，两条中心金属条的交叉处通过金属过孔接地，每条中心金属条上还带有若干一端与其所接触的中心金属条垂直的垂直金属条，所述垂直金属条的长度是中心金属条的一半，每条中心金属条上的垂直金属条数量相等，且呈中心对称分布。
2.根据权利要求1所述的蘑菇型人工磁导体结构，其特征在于:位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为横向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为纵向金属条。
3.根据权利要求1所述的蘑菇型人工磁导体结构，其特征在于:位于两条中心金属条的十字型右上与左下部分的垂直金属条为纵向金属条，位于两条中心金属条的十字型左上与右下部分的垂直金属条为横向金属条。
4.根据权利要求1所述的蘑菇型人工磁导体结构，其特征在于:所述蘑菇型人工磁导体结构为CMOS工艺结构第一层或其他非顶层金属构成。
5.根据权利要求1所述的蘑菇型人工磁导体结构，其特征在于:所述中心金属条和垂直金属条的宽度为1.8-2.2微米，垂直金属条之间的间隙与中心金属条的宽度相等，中心金属条的长度为81-99微米。
6.一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的偶极子天线，其特征在于:所述偶极子天线由CMOS工艺结构的顶层金属构成，分为两个单臂，两个单臂的中心处为馈点，所述CMOS工艺结构的第一层金属为由4X 10个权利要求1-5任意一项所述的蘑菇型人工磁导体结构。
7.根据权利要求6所述的加载了蘑菇型人工磁导体结构的偶极子天线，其特征在于:所述偶极子天线单臂长为438.5-536.5微米，宽为11-14微米。
8.一种加载了蘑菇型人工磁导体结构的单端电感，其特征在于:所述单端电感包括由CMOS工艺结构的顶层金属构成的螺旋电感线，和由次顶层金属构成的金属过线，所述CMOS工艺结构的第一层金属为3 X 3个权利要求1-5任意一项所述的蘑菇型人工磁导体结构，所述蘑菇型人工磁导体结构位于螺旋电感线的正下方。
9.根据权利要求8所述的加载了蘑菇型人工磁导体结构的单端电感，其特征在于:所述螺旋电感线的外径为252-308微米，螺旋电感线与过线宽为9-11微米，螺旋电感线的间距为0.8-1.2微米。
【专利摘要】本发明公开了一种蘑菇型人工磁导体结构，包括两条呈十字型交叉、长度相等的中心金属条，两条中心金属条的交叉处通过金属过孔接地，每条中心金属条上还带有若干一端与其所接触的中心金属条垂直的垂直金属条，所述垂直金属条的长度是中心金属条的一半，每条中心金属条上的垂直金属条数量相等，且呈中心对称分布。本发明提出的一种蘑菇型人工磁导体结构，该结构能够与CMOS工艺兼容，在片上天线与硅衬底间起到电隔离的作用，并在特定频段内具有抑制表面波的特性，进而提高片上天线辐射效率；本发明提出的蘑菇型人工磁导体结构不仅能够提高片上天线辐射效率，而且能够隔离片上螺旋无源元件的漩涡电流，提高片上螺旋无源元件的品质因数。
【IPC分类】H01Q1-38, H01L23-64, H01Q9-20, H01L23-58
【公开号】CN104733441
【申请号】CN201510130717
【发明人】韩波, 宋有才, 刘华明, 刘德方, 刘争艳
【申请人】阜阳师范学院
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月23日