[發明專利]基于共面波導傳輸線的介電常數提取方法及終端設備

在審

• 申請號: 201711159667.6
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107991537A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 王一幫;欒鵬;吳愛華;梁法國;霍燁
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十三研究所
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所13120
• 代理人: 王麗巧

技術領域

本發明屬于半導體材料物理特性測量技術領域，尤其涉及基于共面波導傳輸線的介電常數提取方法及終端設備。

背景技術

固態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、噪聲低等優點，從誕生一開始既廣泛應用于軍事領域。固態微波功率器件在設計時通常需要輸入襯底材料(半導體)的介電常數和損耗角正切等參數用于電路仿真，例如，對于GaAs器件，通常輸入有效介電常數為常量12.8或12.9。但由于實際襯底的介電常數是一個頻率變化量，因此，采用一個固定量往往是不合適的?，F階段用于襯底材料介電常數測試的方法是腔體法。腔體法根據需要測試的待測樣片的頻率，設計相應的材料的三維尺寸，同時設計對應的測試夾具。將待測樣片放置于測試夾具中，根據諧振腔體原理，由矢網測得待測樣品的S參數中找到相應的諧振頻率和倍頻頻率。經過一定的計算公式得到。但不足之處是一是測試頻率不高，二是測量頻帶有限。對某一頻點的測量，需要定制測試夾具和待測件的腔體三維尺寸，測試頻率改變時相應的測試夾具和腔體尺寸也需要更改，無法進行大范圍的掃頻測量。而當前固態器件發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以優化設計，提高仿真精度。

發明內容

有鑒于此，本發明實施例提供了基于共面波導傳輸線的介電常數提取方法及終端設備，以解決現有技術中無法進行較大范圍的掃頻測量的問題。

本發明實施例的第一方面提供了一種基于共面波導傳輸線的介電常數提取方法，可解決毫米波甚至THz頻段的介電常數測量問題，包括：

以一定的體積形狀的待測樣品作為襯底，在上面設計多根、冗余的傳輸線作為在片矢量網絡分析儀的TRL校準標準，該校準標準覆蓋待測樣品介電常數頻率范圍，并對TRL校準過程中的誤差進行分析，建立用于求解傳播常數的誤差分析模型；

利用多根、冗余的傳輸線作為標準覆蓋每一個頻點，根據有效相移規則選取公共線，并將公共線與其它每個傳輸線組成線對，每組線對之間形成獨立測量，并根據所述誤差分析模型得到多組傳播常數的觀測值；

根據多組傳播常數的觀測值，采用統計方法得到傳播常數的最佳估計值，通過采用quasi-TEM模型得出傳輸線的單位長度電阻R和單位長度電感L，并根據傳播常數定義確定傳輸線的單位長度電容C和單位長度電導G；

根據傳輸線的單位長度電阻R、單位長度電感L、單位長度電容C和單位長度電導G，得出傳輸線的襯底介電常數。

可選的，所述對TRL校準過程中的誤差進行分析，建立用于求解傳播常數的誤差分析模型的過程為：

矢網測量的第i個校準件的級聯傳輸矩陣Mⁱ為

其中，Tⁱ為校準件i的實際傳輸矩陣，X、Y為待求的誤差網絡傳輸矩陣，即校準常數；表示將信號傳輸方向與Y的信號傳輸方向反向；

在理想情況下，第i條傳輸線標準的傳輸矩陣Tⁱ為

式中，γ是傳播常數，l_i為第i個傳輸線標準的長度；

考慮到探針與校準件接觸重復性等隨機誤差，對Tⁱ修正為：

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

給定任意兩個傳輸線標準的測量結果，根據公式(1)可得：

M^ijX＝XT^ij (8)

其中，

M^ij≡M^j(Mⁱ)^-1 (9)

T^ij≡T^j(Tⁱ)^-1 (10)

若隨機誤差δ¹ⁱ、δ²ⁱ不存在，則T^ij簡化為L^ij：

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