随着IC技术向无线通信领域的不断发展,无线传感网络等新型应用对集成系统的尺寸缩减提出了新的挑战,由射频电路、数字基带电路和传感器等集成的片上系统(SOC)就此诞生。而天线作为无线系统中不可或缺的重要组成部分,能够通过芯片加工工艺与射频电路在芯片上集成,从而在降低射频电路和天线间的传输损耗的同时达到缩减整个系统尺寸的目的,这就是片上天线(AOC)技术。然而,片上天线技术采用的CMOS工艺中低电阻率、高介电常数的硅衬底大大限制了片上天线性能的提升,对集成片上天线的设计提出了严峻挑战。本文调研近年来国内外基于0.18μm CMOS工艺的片上天线的发展情况,对已有的片上天线类型进行整理分类,并详细介绍了天线的根本理论和主要参数指标。接下来介绍了人工磁导体的根本理论,主要介绍了人工磁导体的两个理论特性,一是表面波带隙特性,形成高阻抗表面,抑制表面波的传播;二是反射相位带隙特性,整个人工磁导体表面相当于一个理想磁导体。在基于以上基础上,给出本文新“井”型人工磁导体结构的设计方案,并对其在不同结构尺寸以及加载于不同金属层的反射特性进行仿真和分析,最终该结构的谐振频率为60GHz,相对带宽超过26%。在此基础上,本文设计了基于人工磁导体的片上单极子天线,研究了不同人工磁导体单元阵列以及人工磁导体处于不同金属层时整个片上系统的性能差异。为了进一步提高天线增益,本文在已公开发表的片上天线相关文献中首次提出了在基于人工磁导体的片上天线上方进行高介电常数陶瓷介质谐振器的加载,并研究了谐振器尺寸以及装配误差对天线性能的影响,加载人工磁导体和介质谐振器后的单极子天线增益提高了约2d Bi,辐射效率提升了超过20%,在60GHz小型化片上天线领域有极强的竞争优势。最后,本文针对射频电路与片上天线的单片集成问题,改变了天线下方人工磁导体单元排列方式,研究了片上天线和电路有源区之间的距离对其性能的影响,折衷考虑天线的辐射性能和芯片尺寸后采用TSV结构对片上天线和射频电路进行电磁隔离,最终实现了射频电路和片上天线的单片集成。文中设计的加载人工磁导体和介质谐振器的天线系统尺寸为0.45mm×1.8mm,非常适合用于便携设备中。所有参数均基于标准CMOS工艺,可通过芯片加工工艺低成本、标准化、高精确、高可靠性地进行加工。仿真结果表明,该片上天线具有大带宽、高增益、小尺寸的优点,能够满足毫米波段的无线数据快速传输,例如下一代的高清视频流等大文件传输设备、WIFI设备以及板级电路无线互连等。