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《杭州电子科技大学》 2012年
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毫米波CMOS传输线设计及建模技术研究

楼佳  
【摘要】:硅基CMOS工艺具有低成本、低功耗以及能与基带IC模块的工艺相兼容等优点,这使得其易于实现全系统的低成本制造和规模化应用。近年来,随着半导体工艺的不断进步,器件的特征尺寸不断减小,特征频率不断提高,硅基CMOS器件的特征频率已可达到几百GHz,基于硅基CMOS工艺实现毫米波集成电路已成为国内外研究热点。在毫米波系统中,传输线是最重要的无源器件之一。传输线具有可变尺寸和结构来实现小电感的优点。虽然在低频段时,传输线的损耗较大,但在毫米波频段,其长度明显减小,且具有较高的Q值,其次,传输线有良好的接地回路,能有效的减小其相邻电路的电磁耦合。此外,传输线在毫米波集成电路的匹配网络中也起着至关重要的作用。为支持在硅基CMOS工艺下进行高性能毫米波集成电路的设计,本文针对硅基CMOS工艺下的传输线结构、特征,模型和参数提取方法进行深入的研究。 本文首先简要介绍了毫米波传输线的一些主要性能参数,包括传输线的特征阻抗、传播常数、介电常数和Q值等,以及表征传输线性能的四个分布参数:R、L、G、C。接着,我们列举了目前常用的六种毫米波传输线,简单介绍了各自的结构和性能的优缺点。 其次,介绍了三种经典的传输线结构(微带线,共面波导,接地共面波导)的结构特点,并对同一工艺下三种结构的毫米波特性做了对比分析。在对共面波导(CPW)在不同工艺下、不同侧墙结构的性能特点分析研究的基础上,本文着重对CPW新结构进行了三方面的研究。第一、我们提出并设计实现了一种慢波浮动接地共面波导结构。它不仅具有更小的损耗,而且有更高的有效介电常数,从而可以有效的减小芯片面积。第二、我们对接地共面波导结构(GCPW)的接地平面进行了改造,提出了一种新型的半椭圆形接地共面波导结构,它具有更好的设计的灵活性。第三、我们设计了另外两种新型的T字形半椭圆和T字形V型接地共面波导结构,这是对接地共面波导信号线结构的一次改进,虽然没有得到理想的效果,但是为毫米波传输线的设计提供了一种新的思路和借鉴。 最后,我们对三种不同结构的毫米波传输线,分别建立了相应等效电路模型,提出了与之对应的参数提取方法,并且均用测量结果进行了验证。我们建立了低阻硅上的互联线结构的等效电路模型,提出了相应的参数提取方法,并测量了0.18μm CMOS工艺上的互联线结构,来验证了我们提出的模型的准确性。然后,我们对不同地面平的微带线结构分别建立了相应的等效电路模型和参数提取方法,并且对比得出了两个模型中用来表征介质层损耗的参数之间的关系。在最后一小节,我们对CPW结构的建模和参数提取方法进行了深入的研究,总结了多节建模的规律和最少节数模型的选取方法。在此基础上进一步优化了单节的等效电路模型,提高了模型的精度,于此同时,也提出了较为准确的参数提取方法。利用90nm CMOS工艺上的CPW结构的测量数据,我们验证了模型和参数提取方法的准确性。
【学位授予单位】:杭州电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN811.7

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