CN115395194A - 一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，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对称并联的折叠开路线枝节构成。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实现远强于经典片上人工表面等离激元偶模传输线的场束缚能力，可有效保证两条传输线之间低串扰传输。本发明可通过增加传输线的单元长度以增强更低频段的场束缚特性，可在不增加传输线宽度的情况下进一步增加场束缚能力。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。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线技术，用于实现芯片上 的低串扰传输线，属于集成电路和新型人工电磁材料领域。
背景技术
随着现代通信系统的信息数据爆炸式增加，微波芯片的发展面临着空间耦合、动态 响应和性能鲁棒性等多方面的挑战，其中器件系统的小型化与电磁兼容之间的矛盾尤为 突出。在包含大量平行传输线的具有多层结构的高密度集成电路中，为避免邻间互耦增强，要求传输线相互之间距离不能过近，严重制约了芯片的小型化。这种由高频元件物 理特性引起的系统小型化与电磁兼容间的矛盾成为了微波集成电路发展的主要障碍之 一。
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。
发明内容
技术问题：为解决现有技术的不足：主要是片上微带线作为传输线耦合严重以及传 统人工表面等离激元传输线束缚能力与小型化之间存在制约关系的问题，本发明提出了 一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，可在传输线宽度与片上50欧姆微带线宽度接近的情况下实现远强于经典片上人工表面等离激元偶模传输线的场束缚能力，可有效保证两条传输线之间的低串扰传输，且设计简便、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：本发明提出了一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线技术，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对称并联的折叠开路线枝节构成。本发明可通过增加传 输线的单元及折叠枝节的长度以增强更低频段的场束缚特性，可在不增加传输线宽度的 情况下进一步增加场束缚能力。具体为：
该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相对微带线结构上下对称的两个对称并联的折叠开路线枝节构成。
所述的微带线结构位于片上人工表面等离激元周期性单元中间，为直线状。
所述的对称并联的折叠开路线枝节为梳齿状结构，每一个梳齿状结构包括一个连续 波折状金属条带构成。
所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线整体整体尺寸为800um*300um。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元，枝节总宽度p＝65um。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元，金属条带宽度和微带线结构宽度 w＝2.6um。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元，缝宽s＝2.6um。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元，折叠枝节宽度h2＝7.8um。
所述的片上人工表面等离激元周期性单元，折叠首枝节宽度h1＝10.4um。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势为：
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实现远强于经典片 上人工表面等离激元偶模传输线的场束缚能力，可有效保证两条传输线之间低串扰传输。
本发明可通过增加传输线的单元长度以增强更低频段的场束缚特性，可在不增加传 输线宽度的情况下进一步增加场束缚能力。
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是小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线；其中有：片上人工表面等离激元周期性单元1.1、焊盘部分1.2。
图2是片上人工表面等离激元周期性单元；其中有：微带线结构2.1、对称并联的折叠开路线枝节2.2、对相互交错设置的梳齿状金属条带2.2.1。
图3是小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线色散曲线图(包括相同束缚能力 下微带线、相同束缚能力下的传统人工表面等离激元传输线、相同尺寸下传统人工表面等离激元传输线的色散曲线)；
图4是小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线的S参数曲线图，包括实测和仿真结果。
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。
本发明提出了一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，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 条微带线结构和对称并联的折叠开路线枝节构成，所述的微带线结构位于片上人工表面 等离激元周期性单元中间，为直线状；所述的对称并联的折叠开路线枝节为梳齿状结构， 每一个梳齿状结构包括一个连续波折状金属条带构成。
如图1所示，整体尺寸为800um*300um。
人工表面等离激元传输单元为图1的模块1部分，具体结构如图2所示，其中单元周期p＝65um，金属条带宽度和微带线结构宽度w＝2.6um，缝宽s＝2.6um，折叠枝节宽 度h2＝7.8um，折叠首枝节宽度h1＝10.4um。
使用层为TSMC0.18um的标准CMOS工艺中的顶层金属层。
相关结构的色散曲线如图4所示，从图中可以看出相同束缚能力下，本发明的尺寸远小于经典人工表面等离激元传输线；而相同传输线宽度下，本发明的束缚能力远优于 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。
整体结构的仿真以及测试结果如图4所示。仿真与测试结果较为吻合，具有极小线宽(与 片上50欧姆微带接近)下的强场束缚能力，并且可通过增加传输线的单元长度以增强更低频 段的场束缚特性，可在不增加传输线宽度的情况下向低频推广。
Claims (9)
1.一种小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，该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(1.1)构成，每个片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)由一条微带线结构(2.1)和相对微带线结构(2.1)上下对称的两个对称并联的折叠开路线枝节(2.2)构成。
2.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的微带线结构(2.1)位于片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)中间，为直线状。
3.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的对称并联的折叠开路线枝节(2.2)为梳齿状结构，每一个梳齿状结构包括一个连续波折状金属条带(2.2.1)构成。
4.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线整体整体尺寸为800um*300um。
5.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)，枝节总宽度p＝65um。
6.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)，金属条带宽度和微带线结构宽度w＝2.6um。
7.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)，缝宽s＝2.6um。
8.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)，折叠枝节宽度h2＝7.8um。
9.根据权利要求1所述的小型化的片上人工表面等离激元偶模传输线，其特征在于，所述的片上人工表面等离激元周期性单元(1.1)，折叠首枝节宽度h1＝10.4um。
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