应用于SOI晶圆的蝶形天线设计与仿真

绝缘体上硅(SOI)由于其工艺成熟、成本低且与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)制造工艺兼容，被广泛用来制造集成器件，应用在各种光子学领域，片上天线作为光通讯领域接受发射信号不可缺少的模块，被广泛研究应用。本文通过CST Studio Suite建模仿真，设计了一个应用于SOI晶圆的蝶形天线，阻抗匹配为50 Ω，谐振频率在0.1 THz，与相应尺寸的扩展半球硅透镜装配在一起，具有18.25 dBi的增益。

集成光子学，是采用集成方法发展和研究光电子器件与光电子系统的新兴学科。近年来，集成光子学已经在光互联、光通信、光计算以及光传感等众多领域产生了诸多重要应用。用于集成光子学的材料主要有铌酸锂(Lithium Niobate, LN)、III/V 族的半导体、硅基二氧化硅、有机高分子聚合物、绝缘体上硅等等。

与其它材料相比， SOI 对光信号的束缚能力最强， 可以实现最高的光子器件集成度， 且SOI 与CMOS制造工艺兼容，因而工艺成熟和制作成本较低。由于硅具有强大的热光效应等特性，SOI 材料近年来受到了广泛的关注，并被应用于各种领域。

在当下高度信息化的时代下，人们对于信息传递的速率和容量提出了更高的要求和挑战。在光通信领域中，传统的通讯系统都是分立的器件。在CMOS 工艺的快速发展下，通讯系统也在往小型化和集成化发展。作为无线光通信系统中接收发射信号的模块，天线是光通信系统中必不可少的一环，集成在芯片上的天线称为片上天线。片上天线是大多数亚毫米波器件和系统的关键部件。有效的片上天线设计， 能大大地减小收发机系统前端集成电路模块与天线模块之间的距离，降低甚至避免在亚毫米波/太赫兹频段互连寄生参数对系统性能的影响[1]。研究表明，片上天线可以与硅基亚毫米波系统的前端电路直接相连，能最大限度地减小亚毫米波系统中因封装技术而引入的损耗和不确定性[2]。然而由于硅基天线普遍存在着低增益、低辐射效率等缺陷，高性能天线设计及如何与电路芯片实现低损耗集成工作，是一个富有挑战性的技术瓶颈。在以高集成度和小型化为重要特点的亚毫米波应用系统中，高性能片上天线设计和研发至关重要，其性能直接影响着整个系统的综合性能。

片上天线普遍存在一个增益和效率不高的问题，为了提升片上天线的增益和效率，人们提出以下几种解决办法：(1) 采用高阻硅衬底替代低阻硅衬底以降低衬底损耗，提高天线增益[3] [4] [5]。(2) 采用微机械加工工艺，挖掉一部分损耗衬底，从而减小衬底损耗，提高天线增益[6] [7] [8]。(3) 在天线背面的衬底上面制作一个硅透镜，使天线能量通过硅透镜辐射出去[9]。(4) 在芯片天线的钝化层上面用胶水粘上一个谐振频率和天线一致的介质谐振器， 从而提高天线的方向性系数和效率[10] [11] [12]。

其中硅透镜是较为常用且效果很好的一种方法，可以极大地提高天线增益。

本文采用电磁仿真软件CST 对SOI 晶圆的上的蝶形天线进行了设计仿真， 并对装配在其上的扩展半球透镜进行的模拟优化，实现了谐振频率在0.1THz，具有18.25dBi 的增益的蝶形天线。

2. 蝶形透镜天线的设计以及仿 常见的用于平面辐射体的天线结构有偶极子天线、对数周期天线、螺旋形天线、蝶形天线等，蝶形天线具有结构简单、频率响应特性好等优势，并且制作工艺简单易加工，是当前片上天线的一个首要选择。

蝶形天线结构的基本示意图如图1(a)所示，由两块三角形辐射金属片组成领结状的微带贴片，馈电点在两三角形金属片顶点的位置。SOI 晶圆的基本结构如图1(b)所示，由四层结构组成，图中红色的是