基于分数阶理论的毫米波传输线模型研究

摘要

随着无线通信技术的迅速发展，毫米波单片集成电路在民用通信，军用雷达以及无线局域网等领域得到了广泛的应用，并且应用频段越来越高，带宽不断增大，因此对于电路的性能提出更高的要求。无源器件的性能是限制毫米波电路发展的主要原因，而传输线作为电路中最基本的无源器件，对于电路性能的影响至关重要。在毫米波频段下，器件的电磁场分布极其复杂，损耗以及非准静态效应等更加明显，造成毫米波应用的传输线宽带高精度模型难以建立，间接地阻碍了集成电路设计的发展，因此对于传输线的研究具有极其重要的意义，宽带、高精度的传输线模型亟待开发。本文开展传输线建模技术研究，包括对传输线进行分析、建模、参数提取和验证。针对目前主流的CMOS工艺、InP工艺和新的硅基异质集成InP工艺，本文主要研究了基于分数阶理论的传输线模型，建立等效电路模型并进行了参数提取与验证，得到0.1-220 GHz频段范围内的具有较高精度的宽频带分数阶传输线模型。　　本研究主要内容包括：⑴分析传输线的波动方程，传输线的特性参数及其提取方法，以及高频下传输线的损耗机制，并详细阐述目前传输线模型研究中常用的一些传输线模型及其参数提取方法。同时详细分析分数阶微积分的理论，以及分数阶电感电容模型在传输线模型中的应用。⑵对于异质集成工艺和CMOS工艺下的传输线结构在HFSS中进行3D模型建立与仿真，得到传输线的特性参数，与实际测量数据比对验证了数据的准确性，并以电磁场仿真数据作为传输线模型研究的依据。在对大量的硅基异质集成InP工艺和CMOS工艺下的传输线结构进行电磁场仿真基础上，分别建立相应的等效电路模型，并采用分数阶理论对传输线模型进行分析研究。⑶对于不同工艺和结构的传输线分别进行模型参数提取和验证。研究建立了异质集成工艺下传输线通孔互连线结构的模型，并对模型进行验证分析；并研究了异质集成工艺下的微带传输线，对其进行分数阶传输线模型的参数提取和验证，并将模型拟合结果与对应相同结构的整数阶传输线模型对比分析，得出分数阶传输线模型具有更高的模型精度；最后对于分数阶传输线模型在CMOS工艺和InP工艺下分别进行验证，得出分数阶模型对于不同工艺下的传输线都可以达到很好的模型精度，验证了分数阶传输线模型的广泛适用性。

目录

声明

第1章 绪论

1. 1研究背景

1. 2国内外传输线研究现状

1. 3 论文的结构和内容

第2章 传输线基本特性

2. 1传输线波动方程

2. 2传输线的特性参数提取

2. 3传输线损耗机制

2. 4传输线等效电路模型

第3章 分数阶理论分析

3. 1分数阶微积分的性质

3. 2分数阶电容和电感模型

3. 3分数阶传输线模型

第4章 传输线的电磁场仿真

4. 1电磁场相关理论

4. 2 传输线的仿真方法

4. 3 异质集成工艺下的传输线结构

4. 4 HF SS中传输线的EM仿真

第5章 传输线模型参数提取

5. 1互连通孔模型

5. 2传输线模型

第6章 传输线模型验证

6. 1异质集成工艺下的通孔模型验证

6. 2异质集成工艺下的传输线模型验证

6. 3分数阶模型的验证

6. 4小结

第7章 总结与展望

7. 1总结

7. 2展望

致谢

参考文献

附录 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目