微波矽基傳輸線建模及行波放大器設計

《微波矽基傳輸線建模及行波放大器設計》是依託東南大學，由李芹擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微波矽基傳輸線建模及行波放大器設計
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李芹
• 依託單位：東南大學

中文摘要

針對國內研究機構在矽基傳輸線的理論分析及建模方面非常薄弱的研究現狀，研究採用矽基工藝設計微波傳輸線及單元電路，提高微波波段的電路建模理論分析及套用技術水平。運用解析法、電磁仿真手段以及測量法對CMOS工藝上微帶線和共面波導的工作機制、物理特性進行詳細分析，建立適用的等效模型。研究並製備30Ω、50ωΩ、70Ω、100Ω特徵阻抗的微帶線和共面波導。基於二連線埠網路模型，研究幾何尺寸及矽基工藝參數對傳輸線分布參數的影響，並制定相應的設計準則。在此基礎上進行矽基行波放大器設計，進行流片研製和測試，驗證模型建模的可靠性。

結題摘要

本課題利用90nm CMOS工藝設計了10~70Ω範圍內的不同特徵阻抗的矽基片上微帶線和共面波導，採用了保角變換公式和矩量法仿真結合的方法設計傳輸線結構。為了簡化計算量，對複雜的矽襯底進行了電介質合併，最後給出了矽基傳輸線的設計公式和圖表。所設計的傳輸線進行了流片、測試和分析比較，對不同尺寸的矽基傳輸線特性進行了歸納和總結，提出了矽襯底積體電路中傳輸線的一般設計準則。 本課題對微帶線和共面波導這兩種典型的片上傳輸結構進行了建模，所採用的模型結構緊湊，包括了襯底損耗影響和趨膚效應等高頻非線性的影響。在建模的分段所引入的誤差問題進行了深入的討論，提出了不對稱性χ指標來衡量每一小段模型的準確性。最終將建模所提取的傳輸線參數和測試結果進行比對，結果證明傳輸線模型精確地擬合了測試結果。 除此之外，還設計了一種結構新穎的慢波微帶線，慢波微帶線的禁止地是由兩層金屬條構成的。採用這種結構，可以獲得較高的Q值和等效介電常數。測試結果表明，慢波微帶線在25-40GHz頻帶內是可以獲得大於20的相對等效介電常數，品質因數Q也高於10，在40GHz處的波長為1.6毫米。同樣也設計了具有慢波特性的共面波導，即在傳統共面波導下增加懸浮禁止金屬條，測試結果同樣說明慢波共面波導的等效介電常數最高能夠達到15。 在研究矽基傳輸線的基礎上，還設計了兩種矽基Marchand巴倫。其中一種結構為螺旋型Marchand巴倫結構，實驗表明在片測試結果和仿真結果較為吻合；還有一種結構為疊層蜿蜒結構，能夠大大縮小巴倫所占面積。 採用行波理論設計了兩種結構的分散式放大器。一種結構是較為傳統的共源共柵結構，並引入了共源共柵結構和m衍生網路結構來改善頻寬和增益等性能。為了克服傳統結構的分散式放大器具有的的缺點，還採用了一種結構新穎的級聯多級分散式放大器結構，可實現寬頻高增益特性，並能大幅度縮小晶片面積。本課題進行了電路設計和投片測試。測試結果為，增益為19.5±1.5dB，3dB頻寬為1~31GHz。