CN113609813B - 微带线建模方法、装置及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子技术领域,提供一种微带线建模方法、装置及相关设备,所述方法包括步骤:基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构;对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数;将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗;基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型;基于所述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,得到修正后的特征阻抗模型。本发明获得的修正模型比传统经验模型的表达更准确。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域,尤其涉及一种微带线建模方法、装置及相关设备。
背景技术
常见的射频器件分为有源器件和无源器件两类,其中有源器件依赖电源作为自身正常工作的必要条件,如放大器、振荡器等。无源器件则不需要电源的限制,包括微带线、滤波器、电感器、电容器、天线等。在较高的工作频率下,微带线作为无源器件是在射频和微波电路中使用广泛的基本器件之一,其不再只承担简单的电气连接作用,而是依据其高频特性,充当阻抗匹配元件、频率滤波器、电路小型化、多频带操作、谐波抑制等。从设计角度讲,微带线可用于构建如滤波器、阻抗变换器、贴片天线等多种结构。
如图1所示常见的微带线物理模型,其中上方金属板宽度为w,厚度为t,与地平面间距为d,金属与地间的介质介电常数和磁导率分别为ε和μ。该微带线分布式参数模型如图2所示,其中R表示当电流沿导体流动时,因构成导体的材料电导率σ有限产生的欧姆损耗;G表示当两导体之间填充的介质不是绝缘的,即电导率σ不等于0,产生的介质损耗和漏电流;L表示导线的内部电感和外部电感,以及导线之间的互感,一般情况下,自感值过小可以被忽略;C表示两导体之间的并联寄生电容。假设σcond和σdiel分别表示金属导体电导率和介质电导率,经过电磁场方法计算可以得到微带线的RLGC分布参数的表达式:
但是这种模型难以契合电磁仿真,而且随着微带线宽度的减小以及衬底厚度的增加,此时电磁场的边缘效应非常明显,在数学模型中不能忽略,从而为设计带来困难。Hannerstad和Jensen提出计算机可用的微带线经验模型:
其中,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗。通常导体的一侧为介质,一侧为空气。所以引入等效相对介电常数的概念,将介质环境等效为全包围的、均匀的相对介电常数为εr-eff的环境。
上述传统的经验模型只能描述导体下方介质层为单一介质的情况,且介质不存在损耗时的微带线特征。而在气体工艺中,以氮化镓工艺为例,衬底由多层介质组成时,此模型的准确性会大大降低,而且忽略了介质损耗的影响,会导致εr-eff只有实部没有虚部,造成模型结果与实际相差较大。
发明内容
本发明实施例提供一种微带线建模方法,以解决上述技术问题。
第一方面,本发明实施例提供一种微带线建模方法,用于对经验模型进行修正,所述经验模型包括经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型,所述经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型分别为:
其中,εr-eff为经验等效相对介电常数值,Z0为经验特征阻抗值,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗;
所述方法包括:
基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构;
对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数;
将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗;
基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子;
基于所述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,得到修正后的特征阻抗模型:
其中,z0_c为修正后的特征阻抗值,Zair是自由空间的波阻抗,g1、g2、g3是用于修正所述经验特征阻抗模型的拟合因子,为通过电磁仿真所得散射参数反推特征阻抗值与线宽、衬底厚度比值W/h的关系,再经过拟合得出,是用于修正传统公式的拟合因子。
优选的,所述预设工艺条件为氮化镓工艺条件,所述微带线结构包括自上而下的:金属层、氮化镓层、二氧化硅层、氮化铝镓层、氮化镓缓冲层、以及衬底硅层。
优选的,所述将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗的过程包括:
将所述散射参数矩阵转换为传输矩阵;
根据所述传输矩阵计算所述实际等效相对介电常数和实际特征阻抗。
优选的,所述基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型的过程包括:
对介质进行修正;
对频率进行修正;
对介质损耗进行修正。
优选的,所述对介质进行修正以所述微带线结构的长度、宽度为自变量,以所述实际等效相对介电常数为因变量,所述微带线的介质层为多层介质,所述多层介质的第一等效相对介电常数修正模型为:
其中,εr-mult为第一等效相对介电常数修正值,εr0是最底层衬底材料的相对介电常数,而k0是关于硅衬底厚度的修正因子;k1、k2、k3、k4分别依次为氮化硅缓冲层、氮化铝镓层、二氧化硅层和氮化硅层的修正因子,其相对介电常数分别为εr1、εr2、εr3和εr4,W为微带线宽度,h为衬底的厚度。
优选的,所述对频率进行修正基于所述多层介质的第一等效相对介电常数模型,添加频率因子后得到第二等效相对介电常数修正模型:
εr_freq为第二等效相对介电常数修正值,Freq为第二等效相对介电常数修正模型的工作频率,A、B、C为相关系数;
基于所述经验等效相对介电常数模型,去除使用范围限制,得到等效相对介电常数实部修正公式:
其中,εr-mult为等效相对介电常数实部修正值,p1、p2、p3为拟合因子。
优选的,所述对介质损耗进行修正是基于实际等效相对介电常数的虚部以及所述等效相对介电常数实部修正公式,得到所述修正后的等效相对介电常数模型。
第二方面,本发明提出一种微带线建模装置,用于对经验模型进行修正,所述经验模型包括经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型,所述经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型分别为:
其中,εr-eff为经验等效相对介电常数值,Z0为经验特征阻抗值,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗;
所述装置包括:
设计模块,用于基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构;
参数获取模块,用于对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数;
参数转换模块,用于将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗;
等效相对介电常数修正模块,用于基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子;
特征阻抗修正模块,基于所述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,得到修正后的特征阻抗模型:
其中,z0_c为修正后的特征阻抗值,Zair是自由空间的波阻抗,g1、g2、g3是用于修正所述经验特征阻抗模型的拟合因子,为通过电磁仿真所得散射参数反推特征阻抗值与线宽、衬底厚度比值W/h的关系,再经过拟合得出。
第三方面,本发明提供一种电子设备,包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的微带线建模方法中的步骤。
第四方面,本发明提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的微带线建模方法中的步骤。
本发明实施例中,基于多层介质的情况,通过对传统经验模型的等效相对介电常数模型进行修正,以及对特征阻抗模型的修正,获得的修正模型比传统经验模型的表达更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有一种微带线物理模型;
图2是现有一种微带线分布式参数模型;
图3a是本发明实施例微带线建模方法的步骤流程图;
图3b是本发明实施例微带线建模方法的步骤图;
图4是本发明实施例中等效相对介电常数模型修正过程示意图;
图5是本发明实施例中特征阻抗模型修正过程示意图;
图6是本发明实施例所述建模方法建模后修正模型、仿真结果及传统模型对比图;
图7是本发明实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的每个行人其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象,而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着,结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例,也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是,本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图3a及图3b所示,图3a及图3b分别是本发明实施例提供的一种微带线建模方法的流程示意图,该方法用于对经验模型进行修正,所述经验模型包括经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型,所述经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型分别为:
其中,εr-eff为经验等效相对介电常数值,Z0为经验特征阻抗值,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗。
如图3a及图3b所示,所述方法包括如下步骤:
步骤001,基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构。
本发明实施例可适用于多种具体工艺的微带线建模,为了便于说明,本实施例以氮化镓工艺进行说明,通常氮化镓工艺的结构是最上方一层是1.25μm厚度的金属层,用来做互连线,也是设计微带器件所用到的金属层,其下方的介质层结构分别为氮化镓层、二氧化硅层、氮化镓层、氮化铝镓层、氮化镓缓冲层以及最后衬底硅层。在氮化镓工艺条件下,设计包含所有常用微带线长宽的微带线版图,如下表1所示进行长度和宽度取值。
表1用于模型修正的微带线取值范围
步骤002,对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数。
具体的,对微带线结构进行仿真使用的计算机设备中的仿真软件进行,如电磁仿真软件或具备类似功能的其它软件,通过仿真提取微带线结构的散射参数并保存该散射参数。
步骤003,将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗。
首先,将散射参数(S参数)矩阵转换为ABCD传输矩阵:
其中,ΔS=S11 S22-S21 S12,Zp是端口阻抗,通常是50欧姆;ABCD矩阵是微波电路常用的传输矩阵,其对于微带线的ABCD矩阵可以写成如下形式:
上述式(4)中,j为虚数,Z0b是微带线的特征阻抗,γ是传输线的传播常数,l是微带线的物理长度。利用式(4)我们可以得到微带线的实际特征阻抗值Z0b和传播常数γ的值如下:
γ=a cos(A)/l (5)
对于微带线来说,其传播常数还可以用另一种表示方式:
γ=ω/vp,vp=λf (6)
其中,ω为角频率,vp为微带线的相速度,λ为沿微带线传播电磁波波长,f为其频率。
根据等效相对介电常数概念,可以得到微带线的相速度表达式为:
其中,c是光速,单位为m/s。由式(5-7)可以推出等效相对介电常数εr-eff的值:
因此,将步骤002所得散射参数带入上式(5-8),就可以得到修正模型需要用的实际特征阻抗Z0b与实际等效相对介电常数εr-eff的值。
步骤004,基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子。
具体的,所述基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,如图4所示,得到修正后的等效相对介电常数模型的过程包括:
步骤101,对介质进行修正;
步骤102,对频率进行修正;
步骤103,对介质损耗进行修正。
具体的,步骤101中,所述对介质进行修正是以所述微带线结构的长度、宽度为自变量,以所述实际等效相对介电常数为因变量,所述微带线的介质层为多层介质,所述多层介质的第一等效相对介电常数修正模型为:
其中,εr-mult为第一等效相对介电常数修正值,εr0是最底层衬底材料的相对介电常数,而k0是关于硅衬底厚度的修正因子,本实施例中,k0取值为0.9255;k1、k2、k3、k4分别依次为氮化硅缓冲层、氮化铝镓层、二氧化硅层和氮化硅层的修正因子,对应的数值分别为0.03471、-0.02821、0.02414和0.0025077,其相对介电常数分别为εr1、εr2、εr3和εr4,对应的数值分别为10、10、4.71和6.42,W为微带线宽度,h为衬底的厚度。其中,修正因子的确定,是通过数学工具MatLab中的curve-fitting工具进行拟合得出。
进一步的,步骤102中,所述对频率进行修正基于所述多层介质的第一等效相对介电常数模型,添加频率因子后得到第二等效相对介电常数修正模型:
εr_freq为第二等效相对介电常数修正值,Freq为第二等效相对介电常数修正模型的工作频率,A、B、C为相关系数;
基于所述经验等效相对介电常数模型,去除使用范围限制,得到等效相对介电常数实部修正公式:
其中,εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,p1、p2、p3为拟合因子,经过数学工具MatLab分析与拟合工具curve-fitting拟合后,在本实施例中所用到的拟合因子p1取值为100,p2取值为0.04,p3取值为0.45。
进一步的,步骤103中,所述对介质损耗进行修正是基于实际等效相对介电常数的虚部以及所述等效相对介电常数实部修正公式,得到所述修正后的等效相对等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子;
步骤005,如图5所示,特征阻抗模型修正主要包括:
步骤201,等效相对介电常数的修正;
步骤202,适用范围修正。
具体的,基于上述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,通过添加拟合因子多个使用范围的限制,得到修正后的特征阻抗模型:
其中,z0_c为修正后的特征阻抗值,Zf是自由空间的波阻抗,g1、g2、g3是用于修正传统公式的拟合因子,为通过电磁仿真所得散射参数反推特征阻抗值与线宽、衬底厚度比值W/h的关系,再经过拟合得出,本实施例中,g1为0.966,g2为0.103,g3为-3。
基于上述步骤,得到的公式(13)和公式(14)即为本实施例中基于氮化镓工艺的微带线修正模型。
如图6所示为基于本实施例建模方法获得的修正模型、仿真结果及传统经验模型对比的结果,可看出,修正模型更接近与仿真结果,比传统经验模型更准确。
参见图7,图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图,如图7所示,电子设备700包括:存储器702、处理器701及存储在所述存储器702上并可在所述处理器701上运行的计算机程序,其中,处理器701用于调用存储器702存储的计算机程序,执行上述基于微带线建模方法中的各个步骤。
需要说明的是,上述电子设备可以是可以应用于可以进行基于视频的最优目标捕捉的手机、监控器、计算机、服务器等设备。
本发明实施例提供的电子设备能够实现上述方法实施例中基于视频的最优目标捕捉方法实现的各个过程,且可以达到相同的有益效果,为避免重复,这里不再赘述。
存储器702至少包括一种类型的可读存储介质,可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如,SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中,存储器702可以是电子设备700的内部存储单元,例如该电子设备700的硬盘或内存。在另一些实施例中,存储器702也可以是电子设备700的外部存储设备,例如该电子设备700上配备的插接式硬盘,智能存储卡(SmartMedia Card,SMC),安全数字(Secure Digital,SD)卡,闪存卡(Flash Card)等。当然,存储器702还可以既包括电子设备700的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中,存储器702通常用于存储安装于电子设备700的操作系统和各类应用软件,例如一种微带线建模方法的程序代码等。此外,存储器702还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
处理器701在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器701通常用于控制电子设备700的总体操作。本实施例中,处理器701用于运行存储器702中存储的程序代码或者处理数据,例如运行一种基于生成式对抗网络的文本转换图像的方法的程序代码。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的基于生成式对抗网络的文本转换图像的方法的各个过程,且能达到相同的技术效果,为避免重复,这里不再赘述。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种微带线建模方法,用于对经验模型进行修正,所述经验模型包括经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型,所述经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型分别为:
其中,εr-eff为经验等效相对介电常数值,Z0为经验特征阻抗值,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗;
其特征在于,所述方法包括步骤:
基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构;
对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数;
将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗;
基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子;
基于所述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,得到修正后的特征阻抗模型:
其中,z0_c为修正后的特征阻抗值,Zair是自由空间的波阻抗,g1、g2、g3是用于修正所述经验特征阻抗模型的拟合因子,为通过电磁仿真所得散射参数反推特征阻抗值与线宽、衬底厚度比值W/h的关系,再经过拟合得出。
2.如权利要求1所述的微带线建模方法,其特征在于,所述预设工艺条件为氮化镓工艺条件,所述微带线结构包括自上而下的:金属层、氮化镓层、二氧化硅层、氮化铝镓层、氮化镓缓冲层、以及衬底硅层。
3.如权利要求1所述的微带线建模方法,其特征在于,所述将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗的过程包括:
将所述散射参数矩阵转换为传输矩阵;
根据所述传输矩阵计算所述实际等效相对介电常数和实际特征阻抗。
4.如权利要求1所述的微带线建模方法,其特征在于,所述基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型的过程包括:
对介质进行修正;
对频率进行修正;
对介质损耗进行修正。
7.如权利要求6所述的微带线建模方法,其特征在于,所述对介质损耗进行修正是基于实际等效相对介电常数的虚部以及所述等效相对介电常数实部修正公式,得到所述修正后的等效相对介电常数模型。
8.一种微带线建模装置,用于对经验模型进行修正,所述经验模型包括经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型,所述经验等效相对介电常数模型和经验特征阻抗模型分别为:
其中,εr-eff为经验等效相对介电常数值,Z0为经验特征阻抗值,W是微带线宽度,h是衬底厚度,εr是衬底相对介电常数,Zair是自由空间波阻抗;
其特征在于,所述装置包括:
设计模块,用于基于预设工艺条件设计不同长度、宽度的微带线结构;
参数获取模块,用于对所述微带线结构进行仿真,获取散射参数;
参数转换模块,用于将所述散射参数进行转换得到实际等效相对介电常数和实际特征阻抗;
等效相对介电常数修正模块,用于基于所述微带线的长度、宽度、以及所述实际等效相对介电常数,对经验等效相对介电常数模型进行修正,得到修正后的等效相对介电常数模型:
εr-fix为等效相对介电常数实部修正值,j为虚数,Ik为关于微带线宽度与衬底厚度比值W/h变化的虚部的修正因子;
特征阻抗修正模块,基于所述实际特征阻抗以及修正后的等效相对介电常数模型,对经验特征阻抗模型进行修正,得到修正后的特征阻抗模型:
其中,z0_c为修正后的特征阻抗值,g1、g2、g3是用于修正所述经验特征阻抗模型的拟合因子,为通过电磁仿真所得散射参数反推特征阻抗值与线宽、衬底厚度比值W/h的关系,再经过拟合得出。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的微带线建模方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的微带线建模方法中的步骤。
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