片上共面波導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、作為微波平面?zhèn)鬏斁€的重要類型之一的共面波導(dǎo)，隨著微波與毫米波單片集成電路的不斷迅速發(fā)展，受到了各國學(xué)者越來越多的關(guān)注。與常規(guī)微帶傳輸線相比，具有制造加工簡單，結(jié)構(gòu)對稱，在微波電路中更容易與有源或無源器件進行串并聯(lián)，避免在介質(zhì)基片上打孔和繞線，物理尺寸可以不受基片尺寸限制等優(yōu)點。因此共面波導(dǎo)被廣泛應(yīng)用于微波、毫米波、光學(xué)與高溫超導(dǎo)等集成電路中，如毫米波放大器，合成器，混頻器，高溫超導(dǎo)濾波器以及貼片天線當(dāng)中。片上共面波導(dǎo)也在高速電路中獲得廣

2、泛應(yīng)用，如用于高速數(shù)字電路系統(tǒng)中的時鐘調(diào)節(jié)，共振器（負折射率材料），微型電磁帶隙結(jié)構(gòu)，濾波器，以及延遲線（高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器）等。
　　芯片上的共面波導(dǎo)在高速互聯(lián)線和電路設(shè)計與分析中十分重要，它們的特征及模型已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)很大的興趣。芯片上與非芯片上的共面波導(dǎo)在特性上十分不同，主要是由于其可導(dǎo)的硅基襯底，有限的金屬薄膜厚度和介質(zhì)層（如二氧化硅）厚度。本論文深入開展了片上共面波導(dǎo)特征和建模技術(shù)理論與實驗研究；在此基礎(chǔ)上，對基于片上共面波

3、導(dǎo)的幾種應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。
　　第一，在多種對常規(guī)共面波導(dǎo)的分析方法中，保角變換法最為簡單，它可以提供各種結(jié)構(gòu)型式共面波導(dǎo)的傳輸參量的封閉表達式。常規(guī)保角變換分析共面波導(dǎo)時都是忽略金屬厚度而得出的近似解，本文采用保角變換法對有限金屬厚度共面波導(dǎo)進行分析，推導(dǎo)出具有有限金屬厚度的共面波導(dǎo)的特性參數(shù)表達式。
　　第二，盡管片上共面波導(dǎo)已有廣泛應(yīng)用，但特性研究主要集中于直共面波導(dǎo)；另一方面，由于芯片布局的需求或是芯片面積的限

4、制，傳輸線需要彎曲是無法避免的，特別是硅基芯片上的共面波導(dǎo)傳輸線拐角特征研究未見報道。論文開展了片上共面波導(dǎo)拐角特征和建模技術(shù)研究，提出了一種實用緊湊、基于面向計算機輔助設(shè)計RLCG（電阻，電感，電容，電導(dǎo)）參數(shù)的共面波導(dǎo)拐角模型，可用于芯片上的曲折共面波導(dǎo)線設(shè)計和電路分析中。理論分析、三維電磁仿真、流片樣品測試表明：芯片上的斜切拐角曲折共面波導(dǎo)線較直共面波導(dǎo)線而言由于增加了電感和減小的電容具有更高的特征阻抗；并且斜切幅度越大，特征阻抗

5、更高；對共面波導(dǎo)拐角進行斜切也可以作為微調(diào)曲折共面波導(dǎo)線特征阻抗的方法之一。
　　第三，論文提出了一種基于片上有限金屬厚度的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微流體物質(zhì)介電常數(shù)測量方法。在如流體、溶液或細胞等測試中，被測物質(zhì)自身尺寸很小，也不容易固定于信號線上方。論文提出將被測微流體置于共面波導(dǎo)的場強分布最大的信號線與地線之間的槽內(nèi)，無需搭建封閉外墻或流體通道，可大幅增強微小被測物質(zhì)的參數(shù)測量靈敏度，并且可通過調(diào)整金屬層的厚度決定被測物的用量。HFS

6、S三維電磁仿真結(jié)果驗證了這種方法的有效性。介電常數(shù)模擬結(jié)果與理論值具有良好的一致性，特別是在金屬厚度與槽寬可比擬的情況下，模擬誤差小于10％。
　　第四，在生物物質(zhì)和過程研究中，如蛋白質(zhì)熱變性，去折疊，復(fù)折疊和細胞等微流體介質(zhì)參數(shù)變化信息很重要。通常此類介質(zhì)參數(shù)測試主要工作原理是測量通過傳輸線的傳輸、反射參數(shù)（包括幅值，相位）的變化而獲得被測試介質(zhì)電參數(shù)，但背景信號過強限制了其工作靈敏度，尤其是材料介電常數(shù)的微小變化所導(dǎo)致的傳輸參

7、數(shù)的微弱變化更是難以捕捉。為此，論文提出了一種基于共面波導(dǎo)的抵消型觀測介質(zhì)參數(shù)變化的方法，其主要工作原理是通過兩路傳輸信號相抵消的程度來反映被測物質(zhì)材料特性變化過程，即利用弱信號強變化產(chǎn)生的信息，而不是傳統(tǒng)的強信號弱變化的直接提取技術(shù)。本論文所設(shè)計的測試電路采用了兩個Wilkinson功分器，功分器一路為參考信號，另一路為待測材料，待測材料置于片上共面波導(dǎo)場分布最強的槽間，有效地增強了通過兩路信號抵消變化的信息。模擬計算表明，本論文設(shè)計

8、的基于共面波導(dǎo)的抵消型觀測介質(zhì)參數(shù)變化的方法，較常規(guī)單共面波導(dǎo)的方式其S21幅值靈敏度提高了8dB-27dB。
　　第五，在細胞分析，超寬帶通訊和太赫茲脈沖技術(shù)等的研究當(dāng)中，對片上系統(tǒng)產(chǎn)生高性能窄脈沖信號提出了需求，而基于脈沖成形線的片上脈沖產(chǎn)生電路能夠擴展CMOS器件電路的高速窄脈沖產(chǎn)生能力。論文首次提出將傳統(tǒng)脈沖功率技術(shù)中的脈沖成形電路運用于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝技術(shù)片上系統(tǒng)中，采用了曲折片上共面波導(dǎo)作為信號傳輸線。通過大型EDA

9、軟件Cadence的芯片原理圖仿真、版圖仿真和IBM CMOS8RF_DM0.13μm工藝流片樣品測試，對五種不同電路拓撲結(jié)構(gòu)窄脈沖電路進行了性能比較分析。仿真和實驗結(jié)果證實了論文提出的采用 CMOS工藝集成傳統(tǒng)脈沖功率技術(shù)實現(xiàn)皮秒級窄脈沖輸出的可行性。在本論文實驗條件下，所設(shè)計的基于片上共面波導(dǎo)的脈沖成形電路皮秒窄脈沖信號發(fā)生器當(dāng)輸入電源電壓由1.2V變化到2V時，輸出脈沖寬度約為160ps，幅度為110mV-400mV。