太赫茲片上共面波導(dǎo)傳輸線的研究

唐松　李少甫

摘 要：提出了一種基于TSMC 90 nm CMOS工藝的太赫茲片上多層共面波導(dǎo)傳輸線。利用準靜態(tài)的近似方法，推導(dǎo)出該共面波導(dǎo)的有效介電常數(shù)和特性阻抗的閉合表達式。

關(guān)鍵詞：太赫茲；單片集成；多層共面波導(dǎo)

太赫茲（0.1～3THz）電磁波頻段是位于毫米波和遠紅外之間的頻譜資源，對于傳感和通信領(lǐng)域的應(yīng)用有著獨特的優(yōu)勢[1-2]。通常采用集成電路的方式構(gòu)建傳感和通信應(yīng)用的太赫茲系統(tǒng)，而具備低成本并且大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢的硅CMOS工藝是實現(xiàn)太赫茲集成電路的首選。盡管近年來有源器件的特征尺寸不斷縮小，并且高電子遷移率晶體管[3]和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管技術(shù)均取得了振蕩頻率超越1THz的突破性研究進展。

多層共面波導(dǎo)是低損耗的高效率傳輸線，采用該結(jié)構(gòu)傳輸線還能節(jié)約成本并且實現(xiàn)更加緊湊的電路解決方案。多層共面波導(dǎo)的解析分析方法中場分析法精確但略顯復(fù)雜，然而基于準靜態(tài)假設(shè)的保角變換法是提供共面波導(dǎo)傳輸參量封閉表達式并且最簡單的有效方法。

文章在多層共面波導(dǎo)理論分析的基礎(chǔ)上，提出了一款基于TSMC 90 nm CMOS工藝的共面波導(dǎo)傳輸線，該傳輸線具有低損耗的優(yōu)越性能，適用于構(gòu)建太赫茲單片集成電路。

1 多層共面波導(dǎo)的理論分析

共面波導(dǎo)在單片集成電路的設(shè)計實現(xiàn)過程中，其金屬層通常位于多介質(zhì)層的夾層之間。研究提出的多層共面波導(dǎo)理論模型橫截面如圖1所示。

厚的硅襯底上形成多層低介電常數(shù)的介質(zhì)層，將電場很大部分局限于介質(zhì)層之間，從而降低了半絕緣的硅襯底損耗，并在介質(zhì)中形成金屬以充當接地或信號線或電源饋電層，共面波導(dǎo)形成于第九層金屬層。采用準靜態(tài)的近似方法，有效介電常數(shù)εeff，相速度vP，傳輸線的特性阻抗Z0。

沒有介質(zhì)填充的區(qū)域邊界上應(yīng)用保角變換可以得到共面波導(dǎo)的線電容C0，對于電場只存在于介質(zhì)層厚度為h1，相對介電常數(shù)為ε1的介質(zhì)層，其邊界上應(yīng)用保角變換得到線電容為C1，類似地，對于導(dǎo)體的上半平面電場只存在于介質(zhì)厚度為hi（i=1，2，3，4），相對介電常數(shù)為εi的介質(zhì)內(nèi)，其邊界上應(yīng)用保角變換得到線電容為Ci；對于導(dǎo)體的下半平面電場只存在于介質(zhì)厚度為hj，相對介電常數(shù)為εj的介質(zhì)內(nèi)，其邊界上應(yīng)用保角變換得到線電容為Cj（j=5，6，…，24）。因此，通過計算得到的共面波導(dǎo)總的線電容CTotal進而獲得其有效介電常數(shù)εeff，相速度vP和特性阻抗Z0。

多層共面波導(dǎo)的仿真驗證，為了高效的進行仿真分析，在三維全波電磁仿真軟件HFSS中，提出的用等效介電常數(shù)研究多層多導(dǎo)體系統(tǒng)的研究方法對提出的多層共面波導(dǎo)傳輸線建立等效仿真模型橫截面如圖2所示，等效模型將原始理論模型的部分介質(zhì)層進行單層等效處理，圖2還給出了仿真模型的尺寸和相對介電常數(shù)。

HFSS仿真得出50Ω傳輸線的S參數(shù)如圖3（a）所示，可以看出S11<-30dB，并且從局部放大圖可以清晰看到S21>-1dB，表明該50Ω共面波導(dǎo)傳輸線應(yīng)用于0～600GHz 頻段范圍內(nèi)電路器件或系統(tǒng)的連接時，能夠高效率的進行信號傳輸。圖3（b）給出了共面波導(dǎo)傳輸線特性阻抗和有效介電常數(shù)隨頻率變化的曲線，頻率越高，有效介電常數(shù)和特性阻抗均越小，分析發(fā)現(xiàn)這可能歸因于頻率極高的情況下介電弛豫使得單個介質(zhì)的相對介電常數(shù)下降，最終導(dǎo)致多層共面波導(dǎo)的有效介電常數(shù)減小；傳輸線寄生電容效應(yīng)因頻率升高而表現(xiàn)得越明顯，從而導(dǎo)致特性阻抗降低。

對于傳輸線的損耗方面，圖4給出了單位長度傳輸線的損耗隨頻率的變化曲線，頻率越高損耗越大，600 GHz附近每厘米長度傳輸線損耗約35 dB。隨著頻率升高，趨膚深度減小，電磁波主要在導(dǎo)體的表面進行傳播，導(dǎo)致導(dǎo)體損耗降低，因此太赫茲頻段傳輸線的損耗主要是介質(zhì)襯底損耗和輻射損耗。

2 結(jié)束語

提出了一款應(yīng)用于太赫茲單片集成電路應(yīng)用的低損耗多層多導(dǎo)體共面波導(dǎo)。將多層介質(zhì)共面波導(dǎo)準靜態(tài)保角變換分析方法推廣應(yīng)用于多介質(zhì)層多導(dǎo)體共面波導(dǎo)的理論分析，并用等效介電常數(shù)研究多層多導(dǎo)體系統(tǒng)的方法通過電磁仿真軟件HFSS構(gòu)建等效模型，對提出的共面波導(dǎo)進行了仿真驗證，并進一步分析了新型共面波導(dǎo)的損耗機理。

參考文獻

[1]Akyildiz I F， Jornet J M， Han C. Terahertz band： Next frontier for wireless communications[J]. Physical Communication，2014，12：16-32.

作者簡介：唐松（1989-），男，碩士，主要研究方向為毫米波和亞毫米波倍頻電路。

李少甫（1966-），男，博士，教授，主要研究方向為微波與太赫茲天線及各種有源和無源器件與電路系統(tǒng)、新型人工電磁材料、高功率微波裝置和系統(tǒng)。