[發(fā)明專利]基于共面波導(dǎo)傳輸線的介電常數(shù)提取方法及終端設(shè)備

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711159667.6
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開（公告）號(hào): CN107991537A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王一幫;欒鵬;吳愛華;梁法國(guó);霍燁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所
• 主分類號(hào): G01R27/26
• 分類號(hào): G01R27/26
• 代理公司: 石家莊國(guó)為知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所13120
• 代理人: 王麗巧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料物理特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于共面波導(dǎo)傳輸線的介電常數(shù)提取方法及終端設(shè)備。

背景技術(shù)

固態(tài)微波功率器件是指工作于微波毫米波頻率范圍的GaAs、GaN、InP等器件，相比于行波管器件具有體積小、功耗低、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，從誕生一開始既廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。固態(tài)微波功率器件在設(shè)計(jì)時(shí)通常需要輸入襯底材料(半導(dǎo)體)的介電常數(shù)和損耗角正切等參數(shù)用于電路仿真，例如，對(duì)于GaAs器件，通常輸入有效介電常數(shù)為常量12.8或12.9。但由于實(shí)際襯底的介電常數(shù)是一個(gè)頻率變化量，因此，采用一個(gè)固定量往往是不合適的。現(xiàn)階段用于襯底材料介電常數(shù)測(cè)試的方法是腔體法。腔體法根據(jù)需要測(cè)試的待測(cè)樣片的頻率，設(shè)計(jì)相應(yīng)的材料的三維尺寸，同時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試夾具。將待測(cè)樣片放置于測(cè)試夾具中，根據(jù)諧振腔體原理，由矢網(wǎng)測(cè)得待測(cè)樣品的S參數(shù)中找到相應(yīng)的諧振頻率和倍頻頻率。經(jīng)過一定的計(jì)算公式得到。但不足之處是一是測(cè)試頻率不高，二是測(cè)量頻帶有限。對(duì)某一頻點(diǎn)的測(cè)量，需要定制測(cè)試夾具和待測(cè)件的腔體三維尺寸，測(cè)試頻率改變時(shí)相應(yīng)的測(cè)試夾具和腔體尺寸也需要更改，無法進(jìn)行大范圍的掃頻測(cè)量。而當(dāng)前固態(tài)器件發(fā)展的方向就是中大功率的GaN以及毫米波頻段的InP，必須要考慮精確提取頻變介電常數(shù)以優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高仿真精度。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了基于共面波導(dǎo)傳輸線的介電常數(shù)提取方法及終端設(shè)備，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無法進(jìn)行較大范圍的掃頻測(cè)量的問題。

本發(fā)明實(shí)施例的第一方面提供了一種基于共面波導(dǎo)傳輸線的介電常數(shù)提取方法，可解決毫米波甚至THz頻段的介電常數(shù)測(cè)量問題，包括：

以一定的體積形狀的待測(cè)樣品作為襯底，在上面設(shè)計(jì)多根、冗余的傳輸線作為在片矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，該校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋待測(cè)樣品介電常數(shù)頻率范圍，并對(duì)TRL校準(zhǔn)過程中的誤差進(jìn)行分析，建立用于求解傳播常數(shù)的誤差分析模型；

利用多根、冗余的傳輸線作為標(biāo)準(zhǔn)覆蓋每一個(gè)頻點(diǎn)，根據(jù)有效相移規(guī)則選取公共線，并將公共線與其它每個(gè)傳輸線組成線對(duì)，每組線對(duì)之間形成獨(dú)立測(cè)量，并根據(jù)所述誤差分析模型得到多組傳播常數(shù)的觀測(cè)值；

根據(jù)多組傳播常數(shù)的觀測(cè)值，采用統(tǒng)計(jì)方法得到傳播常數(shù)的最佳估計(jì)值，通過采用quasi-TEM模型得出傳輸線的單位長(zhǎng)度電阻R和單位長(zhǎng)度電感L，并根據(jù)傳播常數(shù)定義確定傳輸線的單位長(zhǎng)度電容C和單位長(zhǎng)度電導(dǎo)G；

根據(jù)傳輸線的單位長(zhǎng)度電阻R、單位長(zhǎng)度電感L、單位長(zhǎng)度電容C和單位長(zhǎng)度電導(dǎo)G，得出傳輸線的襯底介電常數(shù)。

可選的，所述對(duì)TRL校準(zhǔn)過程中的誤差進(jìn)行分析，建立用于求解傳播常數(shù)的誤差分析模型的過程為：

矢網(wǎng)測(cè)量的第i個(gè)校準(zhǔn)件的級(jí)聯(lián)傳輸矩陣Mⁱ為

其中，Tⁱ為校準(zhǔn)件i的實(shí)際傳輸矩陣，X、Y為待求的誤差網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣，即校準(zhǔn)常數(shù)；表示將信號(hào)傳輸方向與Y的信號(hào)傳輸方向反向；

在理想情況下，第i條傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的傳輸矩陣Tⁱ為

式中，γ是傳播常數(shù)，l_i為第i個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度；

考慮到探針與校準(zhǔn)件接觸重復(fù)性等隨機(jī)誤差，對(duì)Tⁱ修正為：

其中，δ¹ⁱ為端口1不理想引起的隨機(jī)誤差，δ²ⁱ為端口2不理想引起的隨機(jī)誤差，且δ¹ⁱ，δ²ⁱ中的元素值遠(yuǎn)小于1；

給定任意兩個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，根據(jù)公式(1)可得：

M^ijX＝XT^ij (8)

其中，

M^ij≡M^j(Mⁱ)^-1 (9)

T^ij≡T^j(Tⁱ)^-1 (10)

若隨機(jī)誤差δ¹ⁱ、δ²ⁱ不存在，則T^ij簡(jiǎn)化為L(zhǎng)^ij：

由于隨機(jī)誤差的存在，T^ij不再是對(duì)角矩陣，M^ij的特征值和特征向量也無法直接求解傳播常數(shù)，假定V^ij,Λ^ij分別為T^ij的特征向量和特征值，則