低电阻率硅基片上天线的高效率关键技术研究

The currently emerging wireless internet technology applications, such as WiGig and On-Chip Interconnect, are facing a key technical problem: the phenomenon of low efficiency as antenna designed on the silicon substrate with a low resistivity, which has received international attentions. Thus, the research has been an important scientific value. Based on this, several high efficiency technologies for antenna-on-silicon are proposed and studied, through in-depth analysis of antenna efficiency factors and constraints on silicon substrate. Firstly, considering the defect of bi-directional coupling for the silicon feed mechanism, a "director feed" structure is proposed to strengthen the directional coupling, which may contribute to improve the feed efficiency for the antenna-on-silicon. Secondly, considering the advantage of the high directivity radiation of antenna-on-silicon to improve the efficiency of the system, the dielectric resonator's multi-mode characteristics are effectively used to explore the high directivity radiation of antenna-on-silicon. Above all, this project is expected to provide an effective method in improving the feed efficiency and directional radiation of antenna-on-silicon, and exceed of the efficiency limit for the existing antenna-on-silicon. It can also provide the technical support for the application and development of China's wireless Internet.

低电阻率硅基片上天线的低效率现象是当前新兴无线互联技术，如WiGig技术，片上互联技术应用所面临的一个关键技术问题，在国际上受到广泛关注，其相关研究具有重要的科学和应用价值。本项目通过深入分析影响和制约硅基片上天线效率因素的基础上，充分挖掘硅基片上天线效率的提升空间，并研究相应的效率提升技术。一、针对现有硅基片上馈电存在双向耦合激励的缺陷，提出构建一种"引向馈电"结构，通过加强馈电的单向耦合激励，尝试改善硅基片上天线的馈电耦合效率。二、针对硅基片上单元辐射的高方向性在改善系统效率方面的优势，利用介质谐振器天线的多模特性，结合模式选择与组合优化，探索硅基片上单元辐射的高方向性技术。通过本项目研究，可在提高硅基片上天线的馈电效率和实现单元高方向性辐射方面提供有效的方法，突破现有硅基片上天线的效率限制，可为我国无线互联的应用发展提供技术支撑。

低电阻率硅基片上天线的低效率现象是当前新兴无线互联技术，如WiGig技术，片上互联技术应用所面临的一个关键技术问题，在国际上受到广泛关注，其相关研究具有重要的科学和应用价值。在此背景下，本项目开展了低电阻率硅基片上天线的研究，具体内容包括低电阻率硅基片上天线的高效率技术和片上天线的高方向性技术两个方面的研究。.针对低电阻率硅基片上天线高效率技术。1）研究了双/三层带线结构的引向馈电技术，硅基片上微带传输线的高介质覆盖技术和硅基片中切入腔体技术，并创新性地提出了一种“钥匙形”结构的介质谐振器天线，实现低电阻率硅基片上天线的效率提高约3倍，由从（4～8）% 提升到（16～21）% 。2）研究了有源片上天线，主要围绕有源片上天线的集中元件的参数精确提取、精确模型构建，以及集总参数匹配等技术，该研究成果有助于提高现有片上天线的场路联合仿真性能。.针对片上天线的高方向性技术。1）基于介质谐振器的多模和微带天线的多模理论研究，提出双模式辐射技术和介质谐振器的金属化通孔技术等，有效实现并实验验证了片上天线各种高方向性辐射，包括锥形波束辐射设计、低增益宽波束辐射设计、低增益马鞍形波束辐射设计、高增益窄波束辐射设计、倾斜波束辐射设计，以及水平全向辐射/垂直定向辐射设计等，实现方法简单、实用，技术新颖。2）利用传统喇叭天线和波导网络的高效率，设计并验证了多种高增益片上喇叭阵列天线，同时将时间调制阵列应用到片上阵列天线的波束扫描中，并创新性地提出了非均匀时序激励技术和单边带调制片上时间阵列技术，将传统片上时间调整阵列天线的辐射能量提高了约9dB，并实现了偶次谐波的有效抑制。.上述研究成果共计发表IEEE刊物论文6篇，核心刊物论文2篇，国际性特邀报告1次，国际性会议论文6篇，另有2篇IEEE刊物论文在审。申请授权专利2项，培养博士研究生2名，硕士研究生3名。