新型共面波导(CPW)的研究与应用.pdf

http://.paper.edu-1-中国科技论文在线新型共面波导(CPW)的研究与应用巩刚，邓中亮**作者简介：巩刚（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向:射频通信联系人：**亮，男，教授，主要研究方向：射频，卫星导航.E-mail:gonggang009@163（北京邮电大学电子工程学院，北京100876）5摘要：本文对毫米波MEMS共面波导（CPW）的损耗及设计方法进行了分析，在此基础上设计了一种新型共面波导结构。新型的方形的共面波导传输线设计，在传统的共面波导基础上增宽了信号线的宽度，并在硅衬底下面增加接地金属板，加强了器件的机械强度，有效地降低了电阻损耗，介质损耗和辐射损耗。最后阐述了共面波导在滤波器方面的应用，在共面波导(CPW)结构上周期加载特定的结构的滤波器能够有效地抑制表面波和谐波，有效地改善10滤波器的带宽。关键词：共面波导；MEMS；传输线；滤波器中图分类号：TN385ResearchandApplicationofaNewCoplanarWaveguide15(CPW)GONGGang,DENGZhongliang(SchoolofElectronicEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing,100876)Abstract:Thisarticledescribesthebasictheoryanddesignmethodsofthecoplanarwaveguide20(CPW),anewcoplanarwaveguidestructuresisdesigned.Thenewcoplanarwaveguidestructuresistheimprovedsquarecoplanarwaveguidestructure,whichreducesloss,increasesthemechanicalstrengthbywideningCPWsignallineandaddingagroundMetalplateunderthesiliconsubstratebasedonthetraditionalCPW.Finally,thispaperpresentstheapplicationoftransmissionlineinthefilters.25Keywords:Coplanarwaveguide;MEMS;Transmissionline;Filter0引言随着高速通信技术和雷达技术的高速发展，所用的频率越来越高，已达到微波高端甚至毫米波频段，但是在高频段传输遇到了一些问题，整个系统要求功能越来越复杂、电性能指30标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻。传统的微波集成电路在实现高频率信号在硅基片上的高效传输面临着小型化带来的难题。传统的传输线由于损耗、辐射、耦合等方面因素的影响，不能满足高频下电路微型化、高性能的要求。而微机械MEMS传输线能够有效的解决以上难题，能够充分降低损耗，使得传输线具有传输损耗小、工作频带宽、色散小、制作工艺能与传统集成电路工艺兼容等特点，35MEMS传输线的出现为毫米波系统的微型化提供了解决方案。由于微尺度效应，使得很多宏观的分析方法在MEMS微波领域不适用，所以需要建立新的方法来对MEMS传输线在高频工作时的电磁场分布情况等进行建模和仿真分析，为后面的研究工作打下基础。在标准硅工艺集成电路中，用标准的硅工艺生产单片微波集成电路将导致CPW等微波40无源器件具有较高的损耗，因此在硅工艺中降低无源器件的损耗成了当前的研究热点。选用表面电阻率低的金属和提高衬底电阻率可以降低导体损耗，另外在硅衬底上通过混http://.paper.edu-2-中国科技论文在线合腐蚀工艺刻蚀出刻度槽，使导体带下的电磁场分布在空气槽中从而减小了衬底对损耗的影响[1]。本文阐述了共面波导传输线的相关理论和设计方法，就减小共面波导传输线的损耗问题45进行了研究。文章的最后介绍了共面波导传输线在滤波器中的应用以及取得的效果。毫米波MEMSCPW传输线的损耗研究微波传输线的主要用途就是以最小的损耗将电磁能量从一处传输至另一处。此外，传输线还用于构成各种各样微波元件和器件，如谐振电路、阻抗变换器、滤波器、定向耦合器等。对于传输线的基本要求是损耗小、传输功率大、工作频带宽、尺寸小等。50CPW传输线具有两种主要的损耗源:导体损耗以及介质(或衬底)损耗。传输线的总体损耗公[2]为：Nepers/meters（1）其中介质损耗公式是Nepers/meter（2）55其中：(3)将空腔处的介质挖掉后，使得介质的ε减小，从而使得介电阻尼减小。由式（3）得损耗正切减小，从而介质损耗减小；同时因为带线和地之间阻隔电压的增加，使得载流子的数量减少，这增加了阻抗并且有效抑制了电磁耦合。由于以上两点使得损耗回波大大降低。60单位长度的串联电阻R呈现随频率上升的趋势，并且特征阻抗越高，R越高。而电容C在相对较低的频段随频率呈现递减的趋势，但到毫米波段，其值趋稳，且特征阻抗越大，电容值越小。而串联电感在20GHz频率后基本稳定，特征阻抗越大，其值越高。1毫米波MEMSCPW传输线的设计方法共面波导的传输模式为准TEM模式，对于低介电常数衬底其色散可以忽略，寄生量小，65导电电极和地线电极处于同一平面，容易并联或串联安装集总元件，无需在衬底上钻孔或挖槽，只需设计电路各尺寸比例，便于提高电路的集成度。由于硅的大规模应用，一般MEMS器件采用硅衬底，硅衬底的相对介电常数较高，导致介质损耗提高，为了减小损耗，有如下几种共面波导的设计方法；其中桥式共面波导（BCPW）具有无辐射损耗、宽阻、低损耗、对加工工艺要求低等优点，适合于RF-MEMS器件和系统集成设计与制造的总体要求。屏蔽70接地MEMS共面波导传输线的屏蔽接地结构可以把大部分的电磁场限制在结构内部，可以有效地降低各种损耗。自屏蔽MEMS共面波导传输线具有极宽的准静态传输带宽,低辐射损 耗,近似零介质损耗，相邻传输线的交调干扰小和易于与器件连接等优点 [3] 。 微机械体波导可以克服传统的金属波导在应用于毫米波段时，由于尺寸的减小而难于加 工和成本高的缺点，应用微加工技术可以在硅衬底上很容易制作出频率为100～1000GHz 的 75 微机械波导结构。基于电磁带隙结构（EBG）的毫米波 MEMS 传输线由于 EBG 结构用于 射频器件时具有抑制表面波和抑制谐波，改善带宽, 能够提高微波电路系统的抗干扰能力等 作用。 http://.paper.edu - 3 - 中国科技论文在线 2 新型共面波导结构 CPW传输线因为特性阻抗的原因而无法得到普遍应用，特别是在特性阻抗较高和较低 80 时。在高频段，传输损耗急剧加大。传统的共面技术提供有限的方式解决问题，如改变地面 和中央导体之间的距离，设计新的几何形状，挖掘各种渠道或孔洞，使用新材料和其他新的 尝试，以减少损耗 [4] 。 传输线的欧姆阻抗和特征阻抗是影响损耗的两个原因，其中欧姆损耗是主要的一个原因。 通过增加特性阻抗，导体上的电流减少，从而减少功率损耗 [5] 。 85 2.1 方形的共面波导传输线设计 在共面波导中，电磁场集中在地线和信号线周围，在此周围会产生损耗，因此可以通过 移除信号线和地线周围的硅衬底来减少损耗，需要对传统的共面波导做出改进，过去有几种 改进的结构，比如桥式共面波导，V型共面波导，W型共面波导等等 [6] 。在其基础上做出一 些改进：衬底为硅材料，金属选择为金，移除一部分地线和信号线周围的硅衬底，并且增宽 90 了信号线。在传统的共面波导上，将地线和信号线周围的硅衬底部分切除，形成方形的凹槽， 在硅衬底下面增加了一个地线，这既可以增加器件的机械强度，也可以减少损耗，使得总的 传输损耗减小。 W W H B A Substrate Signal line Ground line Ground line C 图1 方形的共面波导结构 95 在设计中，结构的关键性因素是槽的大小。改变腔体的大小来影响的衰减特性的变化。 其中设置不同的A和B的值找到最优组合，分别为： 表一 参数W不同的取值 100 表二 A和B不同的取值 A(in μm ) B(in μm ) I 54 5 II 54 7 III 54 8 IV 53 6 V 53 7 仿真结果分别为： W(in μm ) CPW1 6 CPW2 7 CPW3 8 http://.paper.edu - 4 - 中国科技论文在线 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 -60 -50 -40 -30 -20 -10 R e t u r n l o s s ( d B ) Frequency(THz) I II III IV V VI 105 (a) CPW1和传统共面波导的仿真结果图 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 -60 -50 -40 -30 -20 -10 R e t u r n l o s s ( d B ) Frequency(THz) I II III IV V VI (b) CPW2和传统共面波导的仿真结果图 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 R e t u r n l o s s ( d B ) Frequency(THz) I II III IV V VI 110 (c) CPW3和传统共面波导的仿真结果图 图2 新型结构的损耗特性图 其中棕色线表示传统的共面波导，通过仿真结果图2可以看出和传统的共面波导结果相 比，新型结构的回波损耗在1THz附近大大降低。在0.8-1.5THz区间内，仿真效果很好，可以 看出，在CPW1中当凹槽的宽度A为53μm和深度B为6μm时，在CPW2中A为54μm， B为 5μm 115 时，在CPW3中A为54μm，B 为7μm时仿真效果比较好。 3 CPW传输线在滤波器上的应用 作为构成毫米波无源、有源器件和单片集成电路的基础，毫米波MEMS 传输线有低损耗、 宽频带、色散小、微型化和批量制造等优点，MEMS 传输线在微波器件中得到广泛应用，如 滤波器、微带天线、移相器、微系统中均有应用，为微波及毫米波集成电路的发展提供了良 120 好的解决思路 [7] 。在共面波导(CPW)结构上周期加载特定结构能够抑制表面波和谐波，改善 http://.paper.edu - 5 - 中国科技论文在线 带宽。 4 结论 本文给出了新型结构，从模拟仿真图可以看出，本文提出的新型共面波导结构有效地减 小了损耗，达到了比较理想的效果；相比传统的共面波导，将地线和信号线周围的硅衬底部 125 分切除，形成凹槽，使得总的传输损耗减小；在截至底部附加金属底板增加了共面波导的机 械强度。在滤波器应用上，在共面波导(CPW)结构上周期加载特定结构能够有效抑制滤波器 表面波和谐波，有效地改善了带宽。 [参考文献] (References) [1] Dimitri Lederer ,Raskin Jean- Pierre. Substrate Loss Mecha- nisms for Microstrip and CPW Transmission lines 130