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(zhǔn)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(dá)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(yuǎn)紅外之間的頻譜資源，對(duì)于傳感和通信領(lǐng)域的應(yīng)用有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[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(shì)的硅CMOS工藝是實(shí)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(jìn)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(shí)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(chǎng)分析法精確但略顯復(fù)雜，然而基于準(zhǔn)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(dá)式并且最簡(jiǎn)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(jì)實(shí)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(chǎng)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(dāng)接地或信號(hào)線或電源饋電層，共面波導(dǎo)形成于第九層金屬層。采用準(zhǔn)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(duì)于電場(chǎng)只存在于介質(zhì)層厚度為h1，相對(duì)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(duì)于導(dǎo)體的上半平面電場(chǎng)只存在于介質(zhì)厚度為hi（i=1，2，3，4），相對(duì)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(duì)于導(dǎo)體的下半平面電場(chǎng)只存在于介質(zhì)厚度為hj，相對(duì)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(jì)算得到的共面波導(dǎo)總的線電容CTotal進(jìn)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(yàn)證，為了高效的進(jìn)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(duì)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(jìn)行單層等效處理，圖2還給出了仿真模型的尺寸和相對(duì)介電常數(shù)。

HFSS仿真得出50Ω?jìng)鬏斁€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(shí)，能夠高效率的進(jìn)行信號(hào)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(gè)介質(zhì)的相對(duì)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?。粋鬏斁€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(duì)于傳輸線的損耗方面，圖4給出了單位長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)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(yǔ)

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(zhǔn)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(duì)提出的共面波導(dǎo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并進(jìn)一步分析了新型共面波導(dǎo)的損耗機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)介：唐松（1989-），男，碩士，主要研究方向?yàn)楹撩撞ê蛠喓撩撞ū额l電路。

李少甫（1966-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc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)。