片上共面波导关键技术及其应用研究

论文摘要

作为微波平面传输线的重要类型之一的共面波导,随着微波与毫米波单片集成电路的不断迅速发展,受到了各国学者越来越多的关注。与常规微带传输线相比,具有制造加工简单,结构对称,在微波电路中更容易与有源或无源器件进行串并联,避免在介质基片上打孔和绕线,物理尺寸可以不受基片尺寸限制等优点。因此共面波导被广泛应用于微波、毫米波、光学与高温超导等集成电路中,如毫米波放大器,合成器,混频器,高温超导滤波器以及贴片天线当中。片上共面波导也在高速电路中获得广泛应用,如用于高速数字电路系统中的时钟调节,共振器（负折射率材料）,微型电磁带隙结构,滤波器,以及延迟线（高速模数转换器）等。芯片上的共面波导在高速互联线和电路设计与分析中十分重要,它们的特征及模型已经引起了业内很大的兴趣。芯片上与非芯片上的共面波导在特性上十分不同,主要是由于其可导的硅基衬底,有限的金属薄膜厚度和介质层（如二氧化硅）厚度。本论文深入开展了片上共面波导特征和建模技术理论与实验研究;在此基础上,对基于片上共面波导的几种应用关键技术进行了研究。第一,在多种对常规共面波导的分析方法中,保角变换法最为简单,它可以提供各种结构型式共面波导的传输参量的封闭表达式。常规保角变换分析共面波导时都是忽略金属厚度而得出的近似解,本文采用保角变换法对有限金属厚度共面波导进行分析,推导出具有有限金属厚度的共面波导的特性参数表达式。第二,尽管片上共面波导已有广泛应用,但特性研究主要集中于直共面波导;另一方面,由于芯片布局的需求或是芯片面积的限制,传输线需要弯曲是无法避免的,特别是硅基芯片上的共面波导传输线拐角特征研究未见报道。论文开展了片上共面波导拐角特征和建模技术研究,提出了一种实用紧凑、基于面向计算机辅助设计RLCG（电阻,电感,电容,电导）参数的共面波导拐角模型,可用于芯片上的曲折共面波导线设计和电路分析中。理论分析、三维电磁仿真、流片样品测试表明:芯片上的斜切拐角曲折共面波导线较直共面波导线而言由于增加了电感和减小的电容具有更高的特征阻抗;并且斜切幅度越大,特征阻抗更高;对共面波导拐角进行斜切也可以作为微调曲折共面波导线特征阻抗的方法之一。第三,论文提出了一种基于片上有限金属厚度的共面波导结构的微流体物质介电常数测量方法。在如流体、溶液或细胞等测试中,被测物质自身尺寸很小,也不容易固定于信号线上方。论文提出将被测微流体置于共面波导的场强分布最大的信号线与地线之间的槽内,无需搭建封闭外墙或流体通道,可大幅增强微小被测物质的参数测量灵敏度,并且可通过调整金属层的厚度决定被测物的用量。HFSS三维电磁仿真结果验证了这种方法的有效性。介电常数模拟结果与理论值具有良好的一致性,特别是在金属厚度与槽宽可比拟的情况下,模拟误差小于10%。第四,在生物物质和过程研究中,如蛋白质热变性,去折叠,复折叠和细胞等微流体介质参数变化信息很重要。通常此类介质参数测试主要工作原理是测量通过传输线的传输、反射参数（包括幅值,相位）的变化而获得被测试介质电参数,但背景信号过强限制了其工作灵敏度,尤其是材料介电常数的微小变化所导致的传输参数的微弱变化更是难以捕捉。为此,论文提出了一种基于共面波导的抵消型观测介质参数变化的方法,其主要工作原理是通过两路传输信号相抵消的程度来反映被测物质材料特性变化过程,即利用弱信号强变化产生的信息,而不是传统的强信号弱变化的直接提取技术。本论文所设计的测试电路采用了两个Wilkinson功分器,功分器一路为参考信号,另一路为待测材料,待测材料置于片上共面波导场分布最强的槽间,有效地增强了通过两路信号抵消变化的信息。模拟计算表明,本论文设计的基于共面波导的抵消型观测介质参数变化的方法,较常规单共面波导的方式其S21幅值灵敏度提高了8dB-27dB。第五,在细胞分析,超宽带通讯和太赫兹脉冲技术等的研究当中,对片上系统产生高性能窄脉冲信号提出了需求,而基于脉冲成形线的片上脉冲产生电路能够扩展CMOS器件电路的高速窄脉冲产生能力。论文首次提出将传统脉冲功率技术中的脉冲成形电路运用于标准的CMOS工艺技术片上系统中,采用了曲折片上共面波导作为信号传输线。通过大型EDA软件Cadence的芯片原理图仿真、版图仿真和IBM CMOS 8RFDM 0.13μm工艺流片样品测试,对五种不同电路拓扑结构窄脉冲电路进行了性能比较分析。仿真和实验结果证实了论文提出的采用CMOS工艺集成传统脉冲功率技术实现皮秒级窄脉冲输出的可行性。在本论文实验条件下,所设计的基于片上共面波导的脉冲成形电路皮秒窄脉冲信号发生器当输入电源电压由1.2V变化到2V时,输出脉冲宽度约为160ps,幅度为110mV-400mV。第六,片上系统如CMOS工艺,基于可靠性考虑,其供给电压有限,能产生的脉冲幅值也有限。为了进一步提高窄脉冲发生器输出幅值,本文还讨论了采用渐变共面波导、传输线变压器和堆积型Blumlein电路（Stacked Blumlein）三种方案来增大输出脉冲幅值。研究显示在同样的输出脉宽条件下,传输线变压器和堆积型Blumlein结构产生高电压脉冲较渐变共面波导则需要占用大一倍的芯片面积,后者在芯片设计中更为适用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 论文工作研究背景
• 1.2 微波平面传输线国内外研究动态
• 1.2.1 微带线、槽线、鳍线
• 1.2.2 共面波导
• 1.3 共面波导的种类及应用
• 1.3.1 背敷金属共面波导
• 1.3.2 其他共面波导
• 1.3.3 共面波导的应用
• 1.4 论文的主要工作和成果
• 第二章 共面波导的基本理论与研究方法
• 2.1 传输线电路模型
• 2.1.1 电报方程
• 2.1.2 传输线上的波传播
• 2.1.3 无耗传输线
• 2.2 共面波导的研究方法
• 2.2.1 解析方法
• 2.2.2 仿真分析
• 2.2.3 实验测试
• 第三章 片上共面波导的两个重要问题研究
• 3.1 有限金属厚度共面波导分析
• 3.1.1 保角变换
• 3.1.2 椭圆函数
• 3.1.3 常规共面波导保角变换
• 3.1.4 有限金属厚度共面波导
• 3.1.5 小结
• 3.2 片上共面波导的拐角模型
• 3.2.1 CMOS 工艺中的共面波导
• 3.2.2 片上共面波导的拐角模型分析
• 3.2.3 直共面波导的模型分析
• 3.2.4 斜切拐角的模型
• 3.2.5 模型与测试结果的比较
• 3.2.6 测试结果分析
• 3.2.7 小结
• 第四章 基于片上共面波导的介质参数测试技术
• 4.1 基于有限金属厚度共面波导的介电常数测量方法
• 4.1.1 典型介电常数测试技术
• 4.1.2 基于有限金属厚度共面波导的介电常数测量方法
• 4.1.3 仿真分析
• 4.1.4 小结
• 4.2 抵消型介质参数变化测试技术
• 4.2.1 抵消型介质参数变化测试方案
• 4.2.2 基于片上共面波导的抵消型介质参数变化测试方法
• 4.2.3 仿真分析
• 4.2.4 小结
• 第五章 基于片上共面波导的窄脉冲产生技术
• 5.1 典型脉冲成形电路
• 5.1.1 典型脉冲成形电路原理
• 5.1.2 典型电路仿真与测试分析
• 5.2 Blumlein 型片上窄脉冲产生电路
• 5.2.1 Blumlein 型片上窄脉冲产生电路原理分析
• 5.2.2 Blumlein 型片上窄脉冲产生电路仿真与测试分析
• 5.3 双极性片上窄脉冲产生电路
• 5.3.1 双极性片上窄脉冲产生电路原理分析
• 5.3.2 双极性片上窄脉冲产生电路仿真与测试分析
• 5.4 其它片上窄脉冲产生电路
• 5.4.1 其它片上窄脉冲产生电路介绍
• 5.4.2 其他片上窄脉冲产生电路仿真与测试分析
• 5.5 各电路性能比较和总结
• 5.6 芯片上阻抗变换器的研究分析
• 5.6.1 渐变共面波导阻抗变换器
• 5.6.2 测试分析
• 5.6.3 其它两种提高脉冲电压途径
• 5.7 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果