片上天線與射頻-無(wú)線互連研究.pdf

1、隨著摩爾定律不斷地推動(dòng)著集成電路工藝向前進(jìn)步，芯片的特征尺寸越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高，金屬互連線所占的面積越來(lái)越大，傳統(tǒng)的金屬互連線遭遇到了性能的極限問(wèn)題，如互連線的延時(shí)、壓降、串?dāng)_、功耗等問(wèn)題將制約集成電路的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研究并設(shè)計(jì)一系列緩解或解決互連線極限問(wèn)題的互連新技術(shù)勢(shì)在必行。
　　 天線是無(wú)線通信系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的重要組成部分。近幾年來(lái)，人們開(kāi)始研究將天線技術(shù)應(yīng)用于芯片互連線的領(lǐng)域，采用無(wú)線通信系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

2、方法，用天線及無(wú)線通信方式取代傳統(tǒng)的金屬互連線，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部或者芯片之間某些功能模塊的互連，從而在一定程度上緩解金屬互連線的極限問(wèn)題，此即無(wú)線互連技術(shù)。同時(shí)，也有研究采用少量傳統(tǒng)微波傳輸線(微帶線或共面波導(dǎo))作為傳輸介質(zhì)，用無(wú)線通信中的各種調(diào)制解調(diào)方式，通過(guò)耦合電容上傳與下傳多路信號(hào)，從而減小傳統(tǒng)金屬線所占的面積，部分緩解傳統(tǒng)金屬線發(fā)展的一些極限問(wèn)題，此即射頻互連技術(shù)。
　　 本學(xué)位論文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了射頻互連系統(tǒng)

3、的信道模型及噪聲模型，分析了該模型的信號(hào)傳輸特性及噪聲特性，以及綜合使用各種調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)帶寬-信噪比的一個(gè)較好的均衡。同時(shí)，主要針對(duì)片上天線的小型化，高增益，低損耗，定向性等問(wèn)題展開(kāi)了研究，設(shè)計(jì)了各種適用于無(wú)線互連系統(tǒng)的天線。將電磁帶隙(EBG)，高阻表面(HIS)等技術(shù)應(yīng)用于片上天線的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了一款單頻片間無(wú)線互連收發(fā)系統(tǒng)，從而驗(yàn)證了該天線的性能優(yōu)越性及無(wú)線互連系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性。具體內(nèi)容闡述如下：
　　 1、構(gòu)建并分析了射

4、頻互連系統(tǒng)的信道及噪聲模型，包括信道的信號(hào)傳輸特性，噪聲特性，包括端口反射噪聲、開(kāi)關(guān)耦合噪聲和接收機(jī)熱噪聲等。根據(jù)所得到的信道信噪比特性，為了在帶寬及誤碼率之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)較好的均衡，在不同信噪比條件下綜合使用CDMA及MPSK等分段調(diào)制方式，提高了整個(gè)射頻互連系統(tǒng)的整體性能。
　　 2、為了提高無(wú)線互連系統(tǒng)的互連性能，設(shè)計(jì)了一系列小型化，高增益，低損耗，高方向性的片上天線。采用標(biāo)準(zhǔn)0.18um CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)片上縫隙天線，證

5、明了在嚴(yán)格的工藝規(guī)則限制下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些片上天線完全可行。采用低電阻率(10Ω·cm)的硅襯底設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)片上縫隙天線，結(jié)果表明該縫隙天線比傳統(tǒng)的偶極子天線具有更高的片間傳輸增益。同時(shí)采用該工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的片上折合振子天線，在減小天線所占面積的同時(shí)一定程度上提高了天線的增益。本文還設(shè)計(jì)仿真了一對(duì)片上鋸齒形定向天線，通過(guò)前后傳輸增益的比較，證明該天線具有較好的定向性，從而降低了其后向輻射，減小了對(duì)天線后向電路的影響。
　　 3、為了進(jìn)一

6、步提高片上天線的傳輸增益，降低標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中低電阻率硅襯底對(duì)天線增益性能的影響，本文將HIS結(jié)構(gòu)應(yīng)用到片上天線的設(shè)計(jì)中，利用HIS結(jié)構(gòu)中的人工磁導(dǎo)體特性，增大了片上偶極子天線的同向電流，從而提高了片上偶極子天線的輻射增益，降低了低損耗硅襯底的損耗。同時(shí)，通過(guò)HIS加載片上MIM電容，進(jìn)一步減小了HIS模塊的面積，從而節(jié)省了天線所占芯片面積。本文還采用EBG結(jié)構(gòu)調(diào)諧天線的輸入阻抗，在大大減小片上偶極子天線尺寸的同時(shí)還抑制了高次諧波。<