CN105785299A - 片上测量***的共面波导反射幅度标准器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于形成片上测量***的共面波导反射幅度标准器的设计方法，该共面波导反射幅度标准器包括：电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的共面波导传输线，该传输线包括位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，该方法包括：确定反射幅度标准器的目标测量范围；确定匹配部分的各导体尺寸，基于所确定的匹配部分的各导体尺寸和目标驻波比，计算得到小于匹配部分中央导体的宽度的失配部分中央导体的宽度。
Description
技术领域
本发明涉及片上测量***的反射幅度准确度的测量领域，更具体地，涉及一种具有共面波导传输线形式的反射幅度标准器及其设计方法。
背景技术
近年来，现代的各种军用、民用电子装备对高集成度、高频率、低功耗等性能和参数要求越来越高，为满足这些要求，在器件的设计中大量采用了表面技术，随之而来的是首先要解决这些表面器件S参数的测量问题。表面器件的测量通常采用片上测量***来实现，片上测量***包括网络分析仪、探针台、探针及校准基片构成。
片上测量***的测量准确度由网络分析仪的剩余误差、探针的技术指标、所采用的校准方法、校准基片的理想程度以及连接重复性等决定，由于这几者之间的关系比较复杂而且各个分量难以准确单独确定，所以难于用分项分析的方法确定片上测量***的测量准确度。为了确定片上测量***的测量准确度，通常需要具有一定标准值的标准器对***的测量参数进行定标，比较标准器的定标值和利用片上测量***实际测量得到的值，从而得到***的测量准确度。
反射幅度测量准确度是片上测量***的一个重要参数，目前采用的片上测量***的反射幅度检验器件为一个具有共面波导连接线形式的长且直的标准传输线。如图1A和1B所示，共面波导传输线包括电介质衬底1，形成在衬底上用作信号线的中央导体2和用作地线的第一接地导体3a和第二接地导体3b。信号线2和地线3a，3b分别为宽度均匀的金属层。这种传输线具有由信号线宽度w、电介质衬底的介电常数和厚度、金属层厚度、信号线与地线之间的间隙s所确定的特定阻抗，例如传输线的阻抗可被设计为50Ω。片上测量***经校准完毕后用探针搭在标准传输线的两侧，并测量反射系数，通过这种方法进行***测量准确度的验证。现有技术设计的传输幅度标准器由阻抗为50Ω的标准传输线形成，与测量***的特性阻抗相当。在测量传输幅度标准器的反射驻波量时，传输幅度标准器驻波标准值1.00左右，利用这样的反射幅度标准器只能验证片上测量***在匹配状态下的测量准确度。实际工作中，由于校准开路器、短路器等的不理想会影响片上测量***在小反射及大反射状态下的测量准确度，用如上所述方法设计的反射幅度标准器无法评估***在不同反射状态下的反射幅度测量准确度。无法满足对片上测量***传输幅度测量准确度全面的验证。
因此，需要一种能够适用于不同测量条件下反射幅度测量的反射幅度标准器。
发明内容
由于现有技术设计的反射幅度标准器为50Ω传输线，只能对***在匹配状态的反射幅度的测量准确度进行检验，无法对各种失配状态下的反射幅度测量准确度进行检验。为了克服该技术缺陷，本发明提供的一组共面波导反射幅度标准器包括一系列具有不同尺寸的信号线及地线的共面波导传输线。通过在反射幅度标准器中引入失配结构，且失配的大小可以根据信号线及地线的尺寸进行调整，根据本发明的反射幅度标准器能够对片上测量***在测量不同反射幅度时的测量准确度进行检验，是一种可覆盖从匹配到不同失配状态下测量准确度检验的反射幅度标准器，扩展了现有反射幅度标准器的反射幅度测量范围。
根据本发明的一个方面，提供一种用于形成片上测量***的共面波导反射幅度标准器的设计方法，该共面波导反射幅度标准器包括：电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的共面波导传输线，该传输线包括位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，该方法包括：
确定反射幅度标准器的目标测量范围；
确定匹配部分的各导体尺寸，
基于所确定的匹配部分的各导体尺寸和该标准器的目标驻波比，假设失配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度等于匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度，利用电磁仿真软件，计算得到失配部分中央导体的宽度，若其小于匹配部分中央导体的宽度则得到该标准器失配部分的各导体尺寸。
优选地，所述确定匹配部分的各导体尺寸的步骤进一步包括
基于该测量***探针的针间距确定匹配部分的中央导体的宽度以及第一接地导体和第二接地导体的宽度；
基于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗，仿真计算所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸。
优选地，利用ADS软件进行中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸的仿真计算。
优选地，利用HFSS软件进行失配部分各导体尺寸的电磁仿真计算，使得计算得到的驻波比与目标驻波比相等时对应的失配部分各导体尺寸为该标准器失配部分的设计尺寸。
优选地，该方法进一步包括
将计算得到的失配部分中央导体的宽度与已知加工误差限进行比较，
如果计算得到的失配部分中央导体的宽度大于已知加工误差限，则被确定为失配部分中央导体的宽度，失配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度等于匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度。
优选地，该方法进一步包括
将到的失配部分中央导体的宽度与已知加工误差限进行比较，
如果得到的失配部分中央导体的宽度小于已知加工误差限，通过减小所述的假设第一接地导体和第二接地导体的宽度，根据该标准器的目标驻波比通过仿真计算得到失配部分各导体的尺寸。
根据本发明的另一方面，提供一种用于片上测量***的共面波导反射幅度标准器，该反射幅度标准器包括电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的传输线，其特征在于，
该传输线包括位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，
所述失配部分的中央导体长度为该测量***中心频率对应波长的四分之一，
所述失配部分的中央导体宽度小于匹配部分的中央导体宽度。
优选地，所述匹配部分的中央导体的宽度取决于该测量***探针的针间距，所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸取决于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗。
根据本发明的再一方面，提供一组用于片上测量***的共面波导反射幅度标准器，该组中每个反射幅度标准器具有不同的目标驻波比，每一标准器包括电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的共面波导传输线，其特征在于，每一传输线包括
位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，
所述失配部分的中央导体长度为该测量***中心频率对应波长的四分之一，
所述失配部分的中央导体宽度小于匹配部分的中央导体宽度，且
所述匹配部分的中央导体的宽度取决于该测量***探针的针间距，
所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸取决于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗，
所述失配部分的中央导体的宽度根据该标准器的目标驻波比通过仿真计算得到且大于已知加工误差限，
所述失配部分的第一接地导体和第二接地导体的宽度等于或小于所述匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度。
本发明的有益效果如下：
本发明设计的一组反射幅度标准器是一系列具有不同尺寸的信号线及地线的共面波导传输线。由于本发明的反射幅度标准器在共面波导传输线的匹配结构中引入了失配结构，且失配大小可以根据信号线及地线的尺寸进行调整，所以该反射幅度标准器能够对片上测量***在测量不同反射幅度时测量准确度进行检验，是一种覆盖从匹配到不同失配状态下的反射幅度标准器，弥补了现有技术设计的反射幅度标准器只能对***在匹配状态的反射幅度的测量准确度进行检验，无法对各种失配状态下的反射幅度测量准确度进行检验的缺陷。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1A和1B示出现有技术的共面波导反射幅度标准器。
图2示出根据本发明的共面波导反射幅度标准器设计步骤流程图。
图3示出根据本发明第一实施例的共面波导反射幅度标准器。
图4示出根据本发明第二实施例的共面波导反射幅度标准器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
为了对片上测量***在失配状态下的反射幅度测量能力进行定量的评估，需要设计具有标准值例如目标阻抗值或目标驻波比的反射幅度标准器作为***的检验件。根据本发明，用于片上测量***的一组共面波导反射幅度标准器为一系列分别具有不同阻抗值的共面波导传输线。将它们分别接入阻抗为50Ω的标准测量***中，由于失配的存在将产生大小不同的反射，可用该反射值对测量***在相应失配状态下得到的测量值进行检验，成为一系列的反射幅度标准器。
根据本发明的每一反射幅度标准器采用具有对称结构的共面波导传输线的形式来设计，在结构上分为电介质衬底、由形成在电介质衬底的导体形成的信号线和分别位于信号线两侧与信号线隔开的第一地线和第二地线。优选地，用金形成导体带作为信号线和地线的电极。为了实现片上测量***在失配状态下的校准，根据本发明的共面波导传输线在导体结构上分为分别位于传输线输入端301,401和输出端303,403的匹配部分和位于其间的失配部分302,402，参见图3和图4。匹配部分的信号线的宽度以及第一和第二地线的宽度取决于该测量***探针的针间距。匹配部分的信号线与第一地线和第二地线之间的间隙尺寸取决于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分信号线和地线的宽度以及该标准器的目标阻抗值。优选地，该失配部分的信号线长度为该测量***中心频率对应波长的四分之一。该失配部分的信号线宽度小于匹配部分的信号线的宽度，地线宽度等于或者小于匹配部分地线宽度。
下面将结合图2对本发明的用于形成片上测量***的共面波导反射幅度标准器的设计方法进行具体说明。
衬底的选择
根据片上测量***工作频率的不同以及被测对象的不同选择相应的半导体材料作为衬底。例如在微波毫米波频段，半导体衬底材料通常可选择砷化镓、三氧化二铝或硅等材料。
首先需要确定片上测量***的反射幅度测量范围，然后确定一个反射幅度标准器对应的反射幅度测量范围，步骤S201。根据反射幅度的目标测量范围对地线和信号线的尺寸进行设计。假设片上测量***的反射幅度用驻波比V表示，其驻波比测量范围为V1～Vn。在V1～Vn的范围内选取多个例如k个目标驻波比值，记为V1、V2、……、Vk，k为正整数，来设计具有相应目标驻波比值的反射幅度标准器。
匹配部分信号线和地线的设计方法
对于V1～Vn的范围内目标驻波比为Vi(i＝1，2，……，k)的反射幅度标准器，首先确定其匹配部分的电极尺寸，步骤S202。如图3所示，匹配部分的信号线301，303的宽度由片上测量***所用探针的针间距决定，设为w1。将根据所选择的衬底材料的介电常数ε、表面导体金层的厚度t，匹配信号线的宽度w1、目标阻抗50Ω这些已知参数，带入已知的计算软件如ADS进行计算，得到匹配部分的信号线与第一地线和第二地线之间的缝隙宽度g1。匹配部分第一地线和第二地线的宽度相等，由探针的针间距决定，优选取2～3倍的探针针间距，这样既能保证探针针尖压在被测件上，同时也避免器件尺寸过大对整体布局产生影响。
失配部分信号线和地线的设计方法
对于目标驻波比为Vi的反射幅度标准器，首先确定失配部分的信号线长度l2，l2的长度的设计方法是选取为片上测量***中心频率对应的波长的约1/4，这样能够保证在全频段内具有平坦的幅度特性；然后设计失配信号线的宽度w2，信号线的宽度w2要小于匹配部分信号线的宽度w1。首先假设失配部分地线的宽度与匹配部分地线宽度完全相同，将在上述步骤中确定的匹配部分信号线和地线宽度、信号线和地线之间的缝隙宽度w1、和失配部分的信号线和地线宽度，以及设计的信号线和地线之间的缝隙宽度等各尺寸，输入至已知的电磁仿真软件建立模型，如HFSS软件，计算在该失配部分信号线宽度w2尺寸下的驻波比。根据计算得到的驻波比调整失配部分信号线的宽度w2，直至计算得到的驻波比与设计的目标驻波比Vi相等。记录该失配部分信号线的尺寸，步骤S203。但是，此时的失配部分信号线的尺寸还不能确定为设计尺寸。
将计算得到的信号线宽度w2与加工误差限相比较，确定失配部分导体尺寸，步骤S204。
根据加工工艺，已知加工误差限为±Δ，若加工误差限Δ<<w2，则该计算得到的信号线宽度w2即为失配部分信号线的宽度，地线的宽度与匹配部分地线宽度相同，如图3所示。否则，若加工误差限Δ>>w2，则需要增加w2的宽度，使其小于标准尺寸即匹配部分信号线宽度w1同时大于至少两倍的加工误差限Δ。减小失配部分地线的宽度尺寸，建立仿真模型带入到同一电磁仿真软件如HFSS中进行计算，直至地线宽度减小到一定尺寸此时的驻波比与设计的目标驻波比Vki相等。此时的失配部分地线宽度与信号线宽度为设计尺寸，如图4所示。
本发明中创新的设计了一种用于片上测量***的共面波导反射幅度标准器的设计方法。该反射幅度标准器为一系列具有不同失配尺寸的共面波导传输线。与现有技术的设计方法不同，由于本发明中引入了失配共面波导部分，由失配共面波导部分和匹配共面波导部分共同构成的反射幅度标准器能够对具有不同驻波比值的片上测量***进行定标，而不是现有技术中用匹配共面传输线作为标准器只能对***的匹配状态进行定标。这种设计方法及由此得到的反射幅度标准器大大扩展了对片上测量***幅度测量准确度的验证范围。在本设计方法中充分考虑到了加工工艺在设计时对设计结果的影响。当加工工艺误差与设计的信号线线条宽度能够比拟的情况下，为了减小加工工艺误差对最终结果的影响，在设计时适当增加失配部分信号线的宽度，同时减小地线的宽度，以达到保证适当的目标驻波比的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种用于形成片上测量***的共面波导反射幅度标准器的设计方法，该共面波导反射幅度标准器包括：电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的共面波导传输线，该传输线包括位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，该方法包括：
确定反射幅度标准器的目标测量范围；
确定匹配部分的各导体尺寸，
基于所确定的匹配部分的各导体尺寸和该标准器的目标驻波比，假设失配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度等于匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度，利用电磁仿真软件，计算得到失配部分中央导体的宽度，若其小于匹配部分中央导体的宽度则得到该标准器失配部分的各导体尺寸。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述确定匹配部分的各导体尺寸的步骤进一步包括
基于该测量***探针的针间距确定匹配部分的中央导体的宽度以及第一接地导体和第二接地导体的宽度；
基于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗，仿真计算所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，利用ADS软件进行中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸的仿真计算。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，利用HFSS软件进行失配部分各导体尺寸的电磁仿真计算，使得计算得到的驻波比与目标驻波比相等时对应的失配部分各导体尺寸为该标准器失配部分的设计尺寸。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，该方法进一步包括
将计算得到的失配部分中央导体的宽度与已知加工误差限进行比较，
如果计算得到的失配部分中央导体的宽度大于已知加工误差限，则被确定为失配部分中央导体的宽度，失配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度等于匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度。
6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，该方法进一步包括
将到的失配部分中央导体的宽度与已知加工误差限进行比较，
如果得到的失配部分中央导体的宽度小于已知加工误差限，通过减小所述的假设第一接地导体和第二接地导体的宽度，根据该标准器的目标驻波比通过仿真计算得到失配部分各导体的尺寸。
7.一种用于片上测量***的共面波导反射幅度标准器，该反射幅度标准器包括电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的传输线，其特征在于，
该传输线包括位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，
所述失配部分的中央导体长度为该测量***中心频率对应波长的四分之一，
所述失配部分的中央导体宽度小于匹配部分的中央导体宽度。
8.如权利要求7所述的共面波导反射幅度标准器，其特征在于，
所述匹配部分的中央导体的宽度取决于该测量***探针的针间距，
所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸取决于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗。
9.一组用于片上测量***的共面波导反射幅度标准器，该组中每个反射幅度标准器具有不同的目标驻波比，每一标准器包括电介质衬底、由在所述电介质衬底的表面上形成的中央导体和对称地位于中央导体两侧的第一接地导体和第二接地导体形成的共面波导传输线，其特征在于，每一传输线包括
位于输入端和输出端的匹配部分和位于其间的失配部分，
所述失配部分的中央导体长度为该测量***中心频率对应波长的四分之一，
所述失配部分的中央导体宽度小于匹配部分的中央导体宽度，且
所述匹配部分的中央导体的宽度取决于该测量***探针的针间距，
所述匹配部分的中央导体与第一接地导体和第二接地导体之间的间隙尺寸取决于衬底的介电常数、形成导体的导体层厚度，匹配部分中央导体的宽度和该测量***的目标阻抗，
所述失配部分的中央导体的宽度根据该标准器的目标驻波比通过仿真计算得到且大于已知加工误差限，
所述失配部分的第一接地导体和第二接地导体的宽度等于或小于所述匹配部分第一接地导体和第二接地导体的宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160720 |