一种具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线

技术领域

本发明属于无线通信中的天线领域，涉及片上天线技术，具体提供一种基于CMOS工艺的应用于太赫兹频段的具有开缝圆形圆极化贴片单元和功分同相馈电网络的双频轨道角动量片上天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，低频段的频谱目前已被大量占用，各领域对数据传输速率的要求也越来越高，因此通信和雷达行业在近几年逐渐转移向资源更广阔的毫米波频段、甚至是太赫兹频段发展。由于太赫兹波极小的波长，太赫兹天线的尺寸也将对应减小，这正好符合片上天线技术的应用场景；在太赫兹频段，片上天线足够小的尺寸能够大大减少天线所占用的芯片面积，有利于天线与射频前端的集成，去掉阻抗匹配网络并降低成本。目前，在太赫兹频段已经出现了将片上天线集成在电路内部的研究与设计，因此，片上天线技术的研究对于未来通信领域的发展具有重要意义。

对于紧缺的频谱资源，除了向更高频率发展以外，从电磁波的物理特性入手来实现信息传输方式的突破也是一个方向，轨道角动量(OAM)技术便是其中之一。与传统的信道复用技术不同，具有螺旋形相位波前的轨道角动量电磁波表达式中具有形如e

目前，在天线上实现轨道角动量性能的方法主要有：通过螺旋结构的透射或反射、通过对圆形阵列不同单元的非同相馈电以及通过模式微扰对简并模进行分离等等；值得注意的是，几乎没有关于在片上天线上实现轨道角动量性能的研究，因此，本发明提供一种具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线，用以在太赫兹频段实现轨道角动量片上天线设计，提高片上天线的功能性和应用范围。本发明提出新的开缝圆形圆极化单元、并构成90°旋转对称阵列，匹配功分同相馈电网络，实现天线OAM性能，得到双频轨道角动量太赫兹片上天线，能够同时发射160GHz和167GHz左右的轨道角动量电磁波，应用在通信领域中能够有效节约频谱资源，提高信道容量和频谱效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线，包括：硅衬底层1及其上设置的二氧化硅层2，其中，所述二氧化硅层2中从下往上分层设置了接地金属层3、馈电金属层4与辐射金属层5；其特征在于：

所述辐射金属层5包括：开缝圆形贴片阵列与GSG焊盘6；

所述开缝圆形贴片阵列沿阵列中心呈90°旋转对称结构，由四个开缝圆形贴片单元5-1～5-4构成；每个开缝圆形贴片单元采用圆形结构、且圆心处开设有十字形缝隙，所述十字形缝隙由长缝隙7与短缝隙8相互垂直构成(长缝隙7与短缝隙8的中心均与圆心重合)，长缝隙与短缝隙的宽度相同，长缝隙与短缝隙的长度比例为1.05-1.1:1；

所述馈电金属层4包括：一分四功分器，所述一分四功分器将激励信号等分为四路，为四个开缝圆形贴片单元进行同相馈电。

进一步的，所述开缝圆形贴片单元具有两个垂直的相位差为90°的简并模，开缝圆形贴片单元的馈电点位于两个简并模的电场强处。

进一步的，所述激励信号由GSG焊盘6的信号端口输入，通过传输金属过孔传输至一分四功分器的输入端，一分四功分器的输出端通过馈电金属过孔分别对四个开缝圆形贴片单元进行同相馈电；GSG焊盘6的参考地平面通过接地金属过孔连接接地金属层3。

进一步的，所述一分四功分器采用T型功分器结构。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种应用于太赫兹频段的具有开缝圆形圆极化贴片单元和功分同相馈电网络的双频轨道角动量片上天线，采用同相馈电的方法对开缝圆形圆极化贴片单元进行馈电，减少了馈电网络的设计难度和复杂程度，并通过沿中心呈90°旋转对称的4个阵列单元结构的设计，产生了具有螺旋相位波前结构的波束辐射，最终使得本发明能够实现轨道角动量性能，应用在通信领域能够有效提高信道容量和频谱效率，节省宝贵的频谱资源，并进一步扩大了片上天线的应用范围。

附图说明

图1为本发明中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线的侧视结构示意图。

图2为本发明中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线的俯视结构示意图。

图3为本发明中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线的圆极化单元结构示意图。

图4为本发明实施例中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线的反射系数结果图。

图5为本发明实施例中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线在160GHz处的方向图。

图6为本发明实施例中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线在160GHz处的波束相位分布图。

图7为本发明实施例中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线在167GHz处的方向图。

图8为本发明实施例中具有双频轨道角动量性能的太赫兹片上天线在167GHz处的波束相位分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种应用于太赫兹频段的具有双频轨道角动量性能的片上天线，其结构如图1至图3所示，包括从下往上的硅衬底层1与二氧化硅层2；其中，所述二氧化硅层2中设置了接地金属层3、馈电金属层4与辐射金属层5，辐射金属层5包括：开缝圆形贴片阵列与GSG焊盘6。

本实施例中，所述片上天线采用65nm CMOS工艺实现，接地层金属层3设置于M1金属层，馈电金属层4设置于M8金属层，辐射金属层5设置于M9金属层，天线及其周边介质的总体尺寸为1.4mm×1.5mm；更为具体的讲：

所述接地层金属层3为整个M1金属层，能够将天线与高损耗的硅衬底层1隔离，从而提高天线增益；

所述开缝圆形贴片阵列由开缝圆形贴片单元5-1到5-4构成，开缝圆形贴片单元的结构如图3所示，其半径为255um，在其圆心处开有两个互相垂直的长短不一的缝隙，长缝7和短缝8，长度分别为158um和147.4um，宽度均为7.5um；通过长缝7和短缝8的差异对贴片表面电流产生微扰，即改变表面电流路径的长度，从而使圆形贴片拥有了两个垂直的相位差为90度的模式，实现了开缝圆形贴片单元的圆极化性能；在使用开缝圆形贴片单元5-1到5-4组成片上天线时，需要对每个单元进行旋转，从开缝圆形贴片单元5-1开始，将其顺时针旋转90度形成开缝圆形贴片单元5-2，再依次旋转180度和270度分别形成开缝圆形贴片单元5-3和5-4，最终将贴片单元5-1到5-4组合形成2×2的开缝圆形贴片阵列，从而实现轨道角动量性能，此时OAM波束是由于每个圆极化单元相互不同的物理角度产生的空间相位差构成的，所以只需要同相馈电即可；

所述馈电金属层4位于片上天线5下方，主要为一个一分四的功分器，通过金属化过孔接收来自GSG焊盘6的馈电信号，并经过两次功分后同时对四个开缝圆形贴片单元5-1～5-4进行激励，激励信号到四个馈电点的距离相同，即为同相馈电，馈电点位于；此一分四功分馈电结构基于T型功分器，其中，较细部分均为特性阻抗50Ω的微带传输线、宽度为17.26um，较粗部分为四分之一波长的阻抗变换线，其特性阻抗为35Ω、宽度为29.6um；

所述GSG焊盘6由3个宽为60um的矩形贴片构成，且间隔也为60um，左右两边为参考地平面，中间为信号端口，可外接GSG探针进行馈电；对于金属过孔，GSG焊盘6的中间信号端口通过16个传输金属过孔连接到馈电金属层4，左右两边参考地平面分别通过1个接地金属过孔连接到接地金属层3，传输金属过孔与接地金属过孔的半径均为2um，馈电金属层4的四个分支末端分别通过1个馈电金属过孔连接到辐射金属层5对每个开缝圆形贴片单元进行馈电，馈电金属过孔的半径均为6um。

对上述应用于太赫兹频段的具有双频轨道角动量性能的片上天线进行仿真测试，其结果如下：

如图4所示为天线的反射系数结果图，可以看出有两个谐振点，分别在160GHz和167GHz，且性能良好，均在-25dB以下；两个谐振点附近的-10dB带宽分别为159.7GHz-160.3GHz与166.8GHz-167.3GHz；

如图5所示为天线在160GHz处的方向图，此时的最大增益为7dBi；可以看出方向图中增益在theta角等于0度附近时是极小的，形成中间低两边高的波束形状，验证了OAM波束的特征之一，即OAM波束中心的相位奇点，其附近能量是极低的；

如图6所示为天线在160GHz处的波束相位分布图，观察平面位于片上天线正上方1.7mm处，大小为6mm×6mm；可以看出波束在观察平面内具有螺旋的相位分布，中间为相位奇点，验证了OAM波束的另一个特征，即旋转的相位波前；从图中可以看出，相位分布沿中心奇点逆时针旋转了一周360°，OAM模式为-1；

如图7所示为天线在167GHz处的方向图，此时的最大增益为6dBi；可以看出方向图中增益在theta角等于0度附近时是极小的，形成中间低两边高的波束形状，验证了OAM波束的特征之一，即OAM波束中心的相位奇点，其附近能量是极低的；

如图8所示为天线在167GHz处的波束相位分布图，观察平面位于片上天线正上方1.7mm处，大小为6mm×6mm；可以看出波束在观察平面内具有螺旋的相位分布，中间为相位奇点，验证了OAM波束的另一个特征，即旋转的相位波前；从图中可以看出，相位分布沿中心奇点顺时针旋转了一周360°，OAM模式为+1；

综上所述，本发明通过开缝圆形贴片阵列与一分四功分同相馈电网络的结构设计，得到了双频轨道角动量片上天线，能够同时发射160GHz和167GHz左右的轨道角动量电磁波，应用在通信领域中能够有效节约频谱资源，提高信道容量和频谱效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。