微波硅基传输线建模及行波放大器设计

针对国内研究机构在硅基传输线的理论分析及建模方面非常薄弱的研究现状，研究采用硅基工艺设计微波传输线及单元电路，提高微波波段的电路建模理论分析及应用技术水平。运用解析法、电磁仿真手段以及测量法对CMOS工艺上微带线和共面波导的工作机制、物理特性进行详细分析，建立适用的等效模型。研究并制备30Ω、50ωΩ、70Ω、100Ω特征阻抗的微带线和共面波导。基于二端口网络模型，研究几何尺寸及硅基工艺参数对传输线分布参数的影响，并制定相应的设计准则。在此基础上进行硅基行波放大器设计，进行流片研制和测试，验证模型建模的可靠性。

本课题利用90nm CMOS工艺设计了10~70Ω范围内的不同特征阻抗的硅基片上微带线和共面波导，采用了保角变换公式和矩量法仿真结合的方法设计传输线结构。为了简化计算量，对复杂的硅衬底进行了电介质合并，最后给出了硅基传输线的设计公式和图表。所设计的传输线进行了流片、测试和分析比较，对不同尺寸的硅基传输线特性进行了归纳和总结，提出了硅衬底集成电路中传输线的一般设计准则。.本课题对微带线和共面波导这两种典型的片上传输结构进行了建模，所采用的模型结构紧凑，包括了衬底损耗影响和趋肤效应等高频非线性的影响。在建模的分段所引入的误差问题进行了深入的讨论，提出了不对称性χ指标来衡量每一小段模型的准确性。最终将建模所提取的传输线参数和测试结果进行比对，结果证明传输线模型精确地拟合了测试结果。.除此之外，还设计了一种结构新颖的慢波微带线，慢波微带线的屏蔽地是由两层金属条构成的。采用这种结构，可以获得较高的Q值和等效介电常数。测试结果表明，慢波微带线在25-40GHz频带内是可以获得大于20的相对等效介电常数，品质因数Q也高于10，在40GHz处的波长为1.6毫米。同样也设计了具有慢波特性的共面波导，即在传统共面波导下增加悬浮屏蔽金属条，测试结果同样说明慢波共面波导的等效介电常数最高能够达到15。.在研究硅基传输线的基础上，还设计了两种硅基Marchand巴伦。其中一种结构为螺旋型Marchand巴伦结构，实验表明在片测试结果和仿真结果较为吻合；还有一种结构为叠层蜿蜒结构，能够大大缩小巴伦所占面积。.采用行波理论设计了两种结构的分布式放大器。一种结构是较为传统的共源共栅结构，并引入了共源共栅结构和m衍生网络结构来改善带宽和增益等性能。为了克服传统结构的分布式放大器具有的的缺点，还采用了一种结构新颖的级联多级分布式放大器结构，可实现宽带高增益特性，并能大幅度缩小芯片面积。本课题进行了电路设计和投片测试。测试结果为，增益为19.5±1.5dB，3dB带宽为1~31GHz。