太赫兹片上共面波导传输线的研究

唐松　李少甫

摘 要：提出了一种基于TSMC 90 nm CMOS工艺的太赫兹片上多层共面波导传输线。利用准静态的近似方法，推导出该共面波导的有效介电常数和特性阻抗的闭合表达式。

关键词：太赫兹；单片集成；多层共面波导

太赫兹（0.1～3THz）电磁波频段是位于毫米波和远红外之間的频谱资源，对于传感和通信领域的应用有着独特的优势[1-2]。通常采用集成电路的方式构建传感和通信应用的太赫兹系统，而具备低成本并且大规模生产优势的硅CMOS工艺是实现太赫兹集成电路的首选。尽管近年来有源器件的特征尺寸不断缩小，并且高电子迁移率晶体管[3]和异质结双极晶体管技术均取得了振荡频率超越1THz的突破性研究进展。

多层共面波导是低损耗的高效率传输线，采用该结构传输线还能节约成本并且实现更加紧凑的电路解决方案。多层共面波导的解析分析方法中场分析法精确但略显复杂，然而基于准静态假设的保角变换法是提供共面波导传输参量封闭表达式并且最简单的有效方法。

文章在多层共面波导理论分析的基础上，提出了一款基于TSMC 90 nm CMOS工艺的共面波导传输线，该传输线具有低损耗的优越性能，适用于构建太赫兹单片集成电路。

1 多层共面波导的理论分析

共面波导在单片集成电路的设计实现过程中，其金属层通常位于多介质层的夹层之间。研究提出的多层共面波导理论模型横截面如图1所示。

厚的硅衬底上形成多层低介电常数的介质层，将电场很大部分局限于介质层之间，从而降低了半绝缘的硅衬底损耗，并在介质中形成金属以充当接地或信号线或电源馈电层，共面波导形成于第九层金属层。采用准静态的近似方法，有效介电常数εeff，相速度vP，传输线的特性阻抗Z0。

没有介质填充的区域边界上应用保角变换可以得到共面波导的线电容C0，对于电场只存在于介质层厚度为h1，相对介电常数为ε1的介质层，其边界上应用保角变换得到线电容为C1，类似地，对于导体的上半平面电场只存在于介质厚度为hi（i=1，2，3，4），相对介电常数为εi的介质内，其边界上应用保角变换得到线电容为Ci；对于导体的下半平面电场只存在于介质厚度为hj，相对介电常数为εj的介质内，其边界上应用保角变换得到线电容为Cj（j=5，6，…，24）。因此，通过计算得到的共面波导总的线电容CTotal进而获得其有效介电常数εeff，相速度vP和特性阻抗Z0。

多层共面波导的仿真验证，为了高效的进行仿真分析，在三维全波电磁仿真软件HFSS中，提出的用等效介电常数研究多层多导体系统的研究方法对提出的多层共面波导传输线建立等效仿真模型横截面如图2所示，等效模型将原始理论模型的部分介质层进行单层等效处理，图2还给出了仿真模型的尺寸和相对介电常数。

HFSS仿真得出50Ω传输线的S参数如图3（a）所示，可以看出S11<-30dB，并且从局部放大图可以清晰看到S21>-1dB，表明该50Ω共面波导传输线应用于0～600GHz 频段范围内电路器件或系统的连接时，能够高效率的进行信号传输。图3（b）给出了共面波导传输线特性阻抗和有效介电常数随频率变化的曲线，频率越高，有效介电常数和特性阻抗均越小，分析发现这可能归因于频率极高的情况下介电弛豫使得单个介质的相对介电常数下降，最终导致多层共面波导的有效介电常数减小；传输线寄生电容效应因频率升高而表现得越明显，从而导致特性阻抗降低。

对于传输线的损耗方面，图4给出了单位长度传输线的损耗随频率的变化曲线，频率越高损耗越大，600 GHz附近每厘米长度传输线损耗约35 dB。随着频率升高，趋肤深度减小，电磁波主要在导体的表面进行传播，导致导体损耗降低，因此太赫兹频段传输线的损耗主要是介质衬底损耗和辐射损耗。

2 结束语

提出了一款应用于太赫兹单片集成电路应用的低损耗多层多导体共面波导。将多层介质共面波导准静态保角变换分析方法推广应用于多介质层多导体共面波导的理论分析，并用等效介电常数研究多层多导体系统的方法通过电磁仿真软件HFSS构建等效模型，对提出的共面波导进行了仿真验证，并进一步分析了新型共面波导的损耗机理。

参考文献

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

作者简介：唐松（1989-），男，硕士，主要研究方向为毫米波和亚毫米波倍频电路。

李少甫（1966-），男，博士，教授，主要研究方向为微波与太赫兹天线及各种有源和无源器件与电路系统、新型人工电磁材料、高功率微波装置和系统。