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1、作為微波平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)的重要類(lèi)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(guó)學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。與常規(guī)微帶傳輸線(xiàn)相比,具有制造加工簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),在微波電路中更容易與有源或無(wú)源器件進(jìn)行串并聯(lián),避免在介質(zhì)基片上打孔和繞線(xiàn),物理尺寸可以不受基片尺寸限制等優(yōu)點(diǎn)。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(xiàn)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(shí)鐘調(diào)節(jié),共振器(負(fù)折射率材料),微型電磁帶隙結(jié)構(gòu),濾波器,以及延遲線(xiàn)(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(xiàn)和電路設(shè)計(jì)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(kāi)展了片上共面波導(dǎo)特征和建模技術(shù)理論與實(shí)驗(yàn)研究;在此基礎(chǔ)上,對(duì)基于片上共面波
3、導(dǎo)的幾種應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
第一,在多種對(duì)常規(guī)共面波導(dǎo)的分析方法中,保角變換法最為簡(jiǎn)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(dá)式。常規(guī)保角變換分析共面波導(dǎo)時(shí)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(duì)有限金屬厚度共面波導(dǎo)進(jìn)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(dá)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(xiàn)需要彎曲是無(wú)法避免的,特別是硅基芯片上的共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)拐角特征研究未見(jiàn)報(bào)道。論文開(kāi)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(shí)用緊湊、基于面向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(xiàn)設(shè)計(jì)和電路分析中。理論分析、三維電磁仿真、流片樣品測(cè)試表明:芯片上的斜切拐角曲折共面波導(dǎo)線(xiàn)較直共面波導(dǎo)線(xiàn)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(duì)共面波導(dǎo)拐角進(jìn)行斜切也可以作為微調(diào)曲折共面波導(dǎo)線(xiàn)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(cè)量方法。在如流體、溶液或細(xì)胞等測(cè)試中,被測(cè)物質(zhì)自身尺寸很小,也不容易固定于信號(hào)線(xiàn)上方。論文提出將被測(cè)微流體置于共面波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)分布最大的信號(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間的槽內(nèi),無(wú)需搭建封閉外墻或流體通道,可大幅增強(qiáng)微小被測(cè)物質(zhì)的參數(shù)測(cè)量靈敏度,并且可通過(guò)調(diào)整金屬層的厚度決定被測(cè)物的用量。HFS
6、S三維電磁仿真結(jié)果驗(yàn)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(guò)程研究中,如蛋白質(zhì)熱變性,去折疊,復(fù)折疊和細(xì)胞等微流體介質(zhì)參數(shù)變化信息很重要。通常此類(lèi)介質(zhì)參數(shù)測(cè)試主要工作原理是測(cè)量通過(guò)傳輸線(xiàn)的傳輸、反射參數(shù)(包括幅值,相位)的變化而獲得被測(cè)試介質(zhì)電參數(shù),但背景信號(hào)過(guò)強(qiáng)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(guān)測(cè)介質(zhì)參數(shù)變化的方法,其主要工作原理是通過(guò)兩路傳輸信號(hào)相抵消的程度來(lái)反映被測(cè)物質(zhì)材料特性變化過(guò)程,即利用弱信號(hào)強(qiáng)變化產(chǎn)生的信息,而不是傳統(tǒng)的強(qiáng)信號(hào)弱變化的直接提取技術(shù)。本論文所設(shè)計(jì)的測(cè)試電路采用了兩個(gè)Wilkinson功分器,功分器一路為參考信號(hào),另一路為待測(cè)材料,待測(cè)材料置于片上共面波導(dǎo)場(chǎng)分布最強(qiáng)的槽間,有效地增強(qiáng)了通過(guò)兩路信號(hào)抵消變化的信息。模擬計(jì)算表明,本論文設(shè)計(jì)
8、的基于共面波導(dǎo)的抵消型觀(guān)測(cè)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(xì)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(duì)片上系統(tǒng)產(chǎn)生高性能窄脈沖信號(hào)提出了需求,而基于脈沖成形線(xiàn)的片上脈沖產(chǎn)生電路能夠擴(kuò)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(yùn)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(hào)傳輸線(xiàn)。通過(guò)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(cè)試,對(duì)五種不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)窄脈沖電路進(jìn)行了性能比較分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了論文提出的采用 CMOS工藝集成傳統(tǒng)脈沖功率技術(shù)實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)窄脈沖輸出的可行性。在本論文實(shí)驗(yàn)條件下,所設(shè)計(jì)的基于片上共面波導(dǎo)的脈沖成形電路皮秒窄脈沖信號(hào)發(fā)生器當(dāng)輸入電源電壓由1.2V變化到2V時(shí),輸出脈沖寬度約為160ps,幅度為110mV-400mV。
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