PDF《基于太赫兹片上系统微带线的设计与仿真》

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1 h w ε ε ε + + = + * + (1) 微带线的特性阻抗

0 z 可表示为:

1 2

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3 4 V Fig.1 Schematic diagram of on-chip THz system 图1太赫兹片上系统示意图 w t h x εr w εr h ε0

180 太赫兹科学与电子信息学报 第15 卷eff

0 eff

60 8 ln ,

1 4 120π ,

1 1.393 0.667ln 1.444 h w w w h h z w w w h h h ε ε ? ? ? + ? ? ? ? ? ? ? = ? >

? ? ? ? ? ? + + + ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≤ (2) 介质损耗是实际介质在交变电场作用下, 介质分子交替极化和晶格来回碰撞而产生的介质热损耗, 可表示为[8] : r eff d r eff

0 ( 1)tan 27.3 ( 1) ε ε δ α ε ε λ ? = ? (3) 式中 tan δ 是介质损耗角的正切值.导体损耗是高频趋肤效应引起的导带和接地板上非理想导体的欧姆损耗[8] , 可表示为:

0 c

0 π 8.686

1000 f z w μ σ α = (4) 式中:σ 和0μ分别为金属电导率和自由空间磁导率;

f 是传输频率.传输线总损耗为: c d = α α α + .微带线的最大 传输频率由截止频率决定,可表示为:

0 0 c

0 2 c z f h η = (5) 式中:

0 η 为自由空间特性阻抗;

0 c 为真空中的光速. 为了最小化相对介电常数和总的介质损耗,介质层的介电常数需要相对较低,同时为使微带线整体结构更 牢固,介质层的材料与金金属材料要有很好的粘附性.苯并环丁烯(BCB)作为介质材料的首选,原因在于当频率 为400 GHz 时,其相对介电常数低达 2.57,并且与金属的粘附性非常好.考虑到为了扩大传输的太赫兹波频率 范围,介质层的厚度应保持在最小,并且该介质材料可以被旋涂在接地金属平面上,且能够形成所需要的厚度. 当介质层厚度为

6 μm,带状导体的宽度为

30 μm 时,微带线的特性阻抗约为

30 ?,恰好使得太赫兹波截止频率 在2THz 时达到最大. 由传输线总损耗公式可知,当介质损耗较小时,总损耗由导体损耗决定.为了最小化导体损耗,导体厚度应 等于传输频率下透入深度的

3 倍[9] ,透入深度可表示为: s

0 1 πf δ μ σ = (6) 由于

1 THz 时太赫兹波在金金属内的透入深度为 78.6 nm,所以导体厚度约为

250 nm.

3 微带线的仿真 本文主要采用 HFSS 仿真软件,研究了微带线的长度、介质层和导 体层的厚度,对太赫兹波在微带线中传输性能的影响. 首先在软件操作界面绘制微带线模型,见图 3,其结构为:一个厚 为250 nm,宽为

30 μm,长为

1 mm 的金金属材料带状导体置于一个厚 为6μm,宽为

500 μm,长为

1 mm 的BCB 介质层之上,最下面为一个 厚为

250 nm,宽为

500 μm,长为

1 mm 的金金属材料接地板.然后在 微带线两侧分别设置一个宽为

330 μm,高为

60 μm 的波端口用于太赫 兹波的导入和导出,并且设置一个长方体辐射边界,使其完全包裹住微 带线结构.最后将扫描频率设置为 0.1~1 THz,再设置扫描参数,如传输长度、金属层厚度和介质层厚度. 太赫兹波在微带线中的传输参数用 S 曲线即散射参数表示,这是微波传输中的一个重要参数.其中仅用正向 传输系数即 S21 曲线来表示太赫兹波在微带线中的增益.其中,太赫兹波在微带线中的传输损耗与传输长度的关 系见图 4(a),随着传输长度和传输频率的增加,3 条曲线都呈下降趋势,并且数值都为负值.这就说明太赫兹波 在微带线中的传输是存在损耗的,同时随着传输长度和传输频率的增加,太赫兹波的损耗越来越多.图4(b)为已 知文献中太赫兹波在微带线中的传输损耗与传输长度的关系,可看出