CN115051130B - 一种毫米波片上人工表面等离激元传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，整体传输线由串联的片上人工表面等离激元周期性单元构成，每个片上人工表面等离激元周期性单元由一条微带线结构和并联的折叠开路线枝节构成。本发明可在较小的芯片面积内实现毫米波频段的强场束缚能力，传输线单元的相对波长面积可缩减至经典人工表面等离激元传输线的1％以下。本发明可在不增加传输线宽度的情况下，通过增加传输线的单元及折叠枝节的长度以进一步增强场束缚能力。本发明设计简便、稳定性高对芯片加工工艺要求较低，在毫米波芯片具有很高的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，用于在常见芯片工艺上实现适用于毫米波频段的人工表面等离激元传输线，属于芯片和新型人工电磁材料领域。
背景技术
随着毫米波技术与产业的快速发展，市场对于毫米波芯片的需求也急剧增长。然而，毫米波芯片中常用的传输线(如微带线、共面波导等)由于具有空间波导模式，导致其在高速数据传输时易产生线间串扰，影响芯片乃至于整体系统的性能。尽管增大多条传输线之间的空间距离可以减小线间串扰，但这样也同时严重制约了毫米波芯片的小型化。
表面等离激元是一种在两种具有相反介电常数的媒质交界面激励出的特殊电磁模式，它可以沿交界面传播，并在其余方向呈指数形式衰减。在光频段，负介电常数可通过金属的等离子体特性实现。表面等离激元的场束缚性和低通特性使其有很大的潜在应用价值。然而在低频段，金属表现为理想电导体(PEC)，而非具有负介电常数的等离子体，因此不能支持表面等离激元。为解决该问题，国内外很多学者提出了多种金属超材料以实现一类可模拟自然表面等离激元特性的人工表面等离激元。近年来，超薄梳状金属条带被证明是一种可以与现代集成电路工艺兼容的人工表面等离激元超材料，因此也被称为人工表面等离激元传输线。人工表面等离激元传输线和传统的微带线相比，具有低串扰、低弯折损耗、小型化封装等优势，因此可用于构建高度集成的微波太赫兹电路。然而，目前经典的人工表面等离激元传输线构型在芯片使用情景下仍存在着一个问题：由于经典人工表面等离激元传输线的场束缚能力与其单元面积成正比关系，想要人工表面等离激元传输线在毫米波频段提供足够强的场束缚能力，就必须使用很大面积的人工表面等离激元传输线单元，这从芯片小型化需求和成本控制两方面考虑都是不可接受的。
发明内容
技术问题：为解决现有技术的不足：主要是经典片上人工表面等离激元传输线无法同时实现小型化及在毫米波频段提供较强场束缚能力的问题，本发明提供一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，可在传输线宽度与片上50欧姆微带线宽度接近的情况下在毫米波频段实现远强于经典片上人工表面等离激元传输线的场束缚能力，且可通过阻抗匹配的片上微带线直接馈电，同时该传输线设计简便、加工简单(可在标准CMOS工艺下实现)，在实际中具有很高的应用前景。
技术方案：本发明提出了一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，不同于传统片上人工表面等离激元传输线采用的矩形开路线枝节，创新性地引入折叠开路线枝节，每个片上人工表面等离激元周期性单元由一条微带线结构和单侧并联的折叠开路线枝节构成。
本发明的毫米波片上人工表面等离激元传输线整体由多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元构成，每个片上人工表面等离激元周期性单元由一条微带线结构和单侧并联的折叠开路线枝节构成。
所述多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元，串联的单元数量越多，场束缚能力越强。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元中，微带线结构与单侧并联的折叠开路线枝节的一端连接.
所述的片上人工表面等离激元周期性单元中，有折叠开路线枝节的线条宽度ws，折叠空隙s，折叠开路线枝节总长度m，折叠开路线枝节总宽度h，微带线结构宽度w0，周期单元总长度p，随着折叠开路线枝节的线条宽度ws、折叠空隙s的减小以及折叠开路线枝节总长度m、折叠开路线枝节总宽度h的增加，场束缚能力增强；折叠开路线枝节的线条宽度ws、折叠空隙s受到芯片加工最小线宽的限制；微带线结构宽度w0决定传输线的阻抗，其值越大，传输线阻抗越小，可灵活调节。
本发明可在不增加传输线宽度的情况下，通过增加传输线的单元及折叠枝节的长度以进一步增强场束缚能力。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：
1.本发明可在传输线宽度与片上50欧姆微带线宽度接近的情况下，提供远强于经典片上人工表面等离激元传输线的毫米波频段场束缚能力。
2.本发明可在不增加传输线宽度的情况下，通过增加传输线的单元及折叠枝节的长度以进一步增强场束缚能力。
3.本发明无需使用当前广泛使用的人工表面等离激元渐变结构进行馈电，只需使用特征阻抗适合的微带线直接连接即可进行馈电。
4.本发明设计简便、加工简单(可在标准CMOS工艺下实现)、在实际中具有很高的应用前景。
附图说明
图1是毫米波片上人工表面等离激元传输线单元的结构示意图；
图2是毫米波片上人工表面等离激元传输线单元的色散曲线；本发明所提出的毫米波片上人工表面等离激元传输线单元与传统片上人工表面等离激元传输线单元及传统微带线的色散曲线对比
图3是利用微带线进行毫米波片上人工表面等离激元传输线馈电示意图；微带线激励的毫米波片上人工表面等离激元传输线，其中1为本发明所提出的图1中的毫米波片上人工表面等离激元传输线单元
图4是利用微带线进行毫米波片上人工表面等离激元传输线馈电的散射参数。
图中有：片上人工表面等离激元周期性单元1、微带线结构2、单侧并联的折叠开路线枝节3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明提出了一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，该等离激元传输线整体由多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元1构成，每个片上人工表面等离激元周期性单元1由一条微带线结构2和单侧并联的折叠开路线枝节3构成。所述多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元1，串联的单元数量越多，场束缚能力越强。所述的片上人工表面等离激元周期性单元1中，微带线结构2与单侧并联的折叠开路线枝节3的一端连接，所述的片上人工表面等离激元周期性单元1中，有折叠开路线枝节的线条宽度ws，折叠空隙s，折叠开路线枝节总长度m，折叠开路线枝节总宽度h，微带线结构宽度w0，周期单元总长度p，随着折叠开路线枝节的线条宽度ws、折叠空隙s的减小以及折叠开路线枝节总长度m、折叠开路线枝节总宽度h的增加，场束缚能力增强；折叠开路线枝节的线条宽度ws、折叠空隙s受到芯片加工最小线宽的限制；微带线结构宽度w0决定传输线的阻抗，其值越大，传输线阻抗越小，可灵活调节。
人工表面等离激元传输单元的具体结构如图1所示，其中单元周期p＝80um，微带线结构宽度w0＝1.5um，折叠空隙s＝0.3um，折叠开路线枝节总宽度h＝4.5um，折叠枝节长度m＝73.5um，总宽度为12.1um。使用层为TSMC 0.18um的标准CMOS工艺中的自顶向下第二层金属层。
相关结构的色散曲线如图2所示，从图中可以看出，在相同传输线宽度下，本发明的传输线的束缚能力远优于微带线和经典人工表面等离激元传输线，具有很高的实用价值。
毫米波片上人工表面等离激元传输线的馈电方法如图3所示，由四个单元组成的毫米波片上人工表面等离激元传输线可由微带线直接激励，微带线宽度wm＝6mm。
整体结构的仿真结果如图4所示，整体结构-10dB反射带宽为0～114.5GHz，满足对该毫米波片上人工表面等离激元传输线宽带馈电的目标。
Claims (4)
1.一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，其特征在于，该等离激元传输线整体由多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元（1）构成，每个片上人工表面等离激元周期性单元（1）由一条微带线结构（2）和单侧并联的折叠开路线枝节（3）构成；微带线结构（2）与单侧并联的折叠开路线枝节（3）的一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，其特征在于所述多个串联的片上人工表面等离激元周期性单元（1），串联的单元数量越多，场束缚能力越强。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，其特征在于所述的片上人工表面等离激元周期性单元（1）中，折叠开路线枝节的线条宽度ws ，折叠空隙s，折叠开路线枝节总长度m，折叠开路线枝节总宽度h，微带线结构宽度w0，周期单元总长度p，随着折叠开路线枝节的线条宽度ws、折叠空隙s的减小以及折叠开路线枝节总长度m 、折叠开路线枝节总宽度h的增加，场束缚能力增强；折叠空隙s为相邻两条折叠开路线枝节的线条之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波片上人工表面等离激元传输线，其特征在于所述的折叠开路线枝节的线条宽度ws 、折叠空隙s受到芯片加工最小线宽的限制；微带线结构宽度w0决定传输线的阻抗，其值越大，传输线阻抗越小。
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