带通共面波导微带无通孔过渡结构的集总模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种带通共面波导微带无通孔过渡结构集总模型的构建方法，主要解决现有共面波导微带过渡结构集总模型无法精确仿真无通孔过渡结构的宽带、带通和低频截止特性，及参数提取和优化繁冗耗时的问题。其技术方案是：1.根据过渡结构的物理特征构建等效电路；2.通过三维电磁仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1；3.根据散射参数S1提取等效电路中的电容、电阻和电感元件的初始值；4.对初始值进行仿真优化，得到等效电路各元件的最终值。本发明专利技术能精确仿真出带通共面波导微带无通孔过渡结构的带通特性、宽带特性和低频截止特性，且提参和优化过程简单，可用于单片、混合微波集成电路设计以及在片测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，具体涉及一种集总模型的构建方法，可用于单片微波集成电路设计、混合微波集成电路设计以及在片测试。技术背景近几十年以来，随着微波、毫米波技术的快速发展，无线移动通信技术和微波集成电路技术得到迅速发展和推广应用。由于微带线、共面波导、槽线和共面带状线等传输线结构都是平面结构，他们的特点就是尺寸控制在一个平面内，因而在设计、加工过程中更加方便。其中，微带线和共面波导这两种传输线是组成微波集成电路的最为重要的结构。微带线是一种最为流行的平面传输线，微带传输线被应用于低电平射频微波技术中。它的优点是制造费用低、尺寸特别小、重量特别轻、工作频带宽、以及具有与固体器件的良好配合性；其主要缺点是损耗较大，不能在高电平的情况下使用。由于微带线结构简单，便于器件的集成和电路的调试，使得微带线已经成为射频、微波电路中首选的电路结构。共面波导的基本结构是由一条中心导带和两边的半无限大的地平面组成，中心导带作为信号传输线，两边带线作为接地线。共面波导支持准TEM模式传播，与传统的微带线相比，具有易于加工、易于并联和串联各种微波器件、不需要包裹和通孔、辐射损耗小等优点。他的特性阻抗仅由导带宽度和槽宽决定，因此尺寸可以很小，但是损耗会随之增加。与此同时，由于两条相邻的线之间有地，他们之间的互相干扰比较微弱，所以共面波导构成的电路可以比微带线电路更加密集，特别适合微波集成电路和单片微波集成电路的应用。共面波导的准TEM模具有频率色散性弱的优点，这为设计宽带电路和器件提供了可能性。在印刷电路板上的许多器件中，有许多类型的微带传输线和共面波导，他们之间连接会产生不连续性，如空气间隙、弯曲和阶跃等，这种不连续性对信号传输和反射有强烈的影响，在某些情况下，电荷聚集引起的磁场和电场的不均匀分布使得传输线产生感抗或者容抗的效果。现在微波实验设备的输入输出端口多为共面波导形式，在微波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，为了降低这种不连续性所带来的传输损耗，可以加入传输接口结构，这种转换由共面波导微带过渡结构来完成，在电路设计以及在片测试过程中，精确的共面波导微带转换电路的RLC集总模型不仅可以准确地仿真转换结构的真实性能，而且可以在不需要大量复杂计算的条件下方便地完成去嵌入过程，得到主体电路或者实际测量器件的真实性能。但是现有的共面波导微带过渡结构的RLC集总模型主要针对有通孔结构的转换结构，而且主要针对窄带低通过渡结构进行建模，并且准确度不高，提参过程不明确。因此对于精确的宽带带通RLC集总模型仍然需要大量的探索。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种带通共面波导微带无通孔过渡结构集总模型的构建方法，以解决上述现有共面波导微带过渡结构RLC集总模型的不足，实现对共面波导微带过渡结构宽带和带通特性的精确仿真。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：(1)根据过渡结构的物理特征构建等效电路：1a)将共面波导结构的中心信号线等效为输入电感L1，将共面波导与微带之间过渡段的频率选择效应等效为过渡电容C1，将过渡段的损耗效应等效为过渡电阻R1，将微带部分等效为输出电感L2，并将输入电感L1、过渡电容C1、过渡电阻R1和输出电感L2依次串联连接，形成干路；1b)将共面波导中心信号线与地线之间的电容效应等效为接地电容C2，将共面波导中心信号线与地线之间的损耗效应等效为接地电阻R2；接地电阻R2的一端通过接地电容C2接地，另一端连接到输入电感L1与过渡电容C1的连接处；(2)通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1；(3)根据散射参数S1提取等效电路中的电容、电阻和电感元件的初始值，即：输入电感L1的初始值为h1、过渡电容C1的初始值为q1、过渡电阻R1的初始值为w1、输出电感L2的初始值h2、接地电容C2的初始值q2和接地电阻R2的初始值w2；(4)对(3)得到的等效电路中各元件的初始值进行仿真优化，直到等效电路仿真的散射参数S2与三维电磁仿真的散射参数S1一致，得到等效电路各元件的最终值，即：输入电感L1的最终值H1、过渡电容C1的最终值Q1、过渡电阻R1的最终值W1、输出电感L2的最终值H2、接地电容C2的最终值Q2和接地电阻R2的最终值W2，这些最终参数用于单片微波集成电路、混合微波集成电路设计和在片测试的去嵌入计算。本专利技术的有益效果是：1)通过引入过渡段电容C1，可以模拟实际转换结构的低频截止特性，能够精确仿真转换结构的带通特性；2)通过在模型中同时引入高通和低通电路，能够精确模拟出真实转换结构的宽频带特性；3)由于每个集总元件都有实际的物理意义，通过严密的公式推导确定等效电路中各个元件的初值，在推导过程中采用简化的阻抗等效电路，简化了公式的推导，节省了参数提取的时间，通过简单的优化过程得到了元件的最终值，将等效电路的仿真值和实际测量值很好的拟合。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术建模所用的带通共面波导微带无通孔过渡结构图；图3为本专利技术对图2构建的等效电路图；图4为本专利技术提取图3初始值时采用的简化阻抗等效电路示意图；图5为图3等效电路优化后的仿真曲线与图2过渡结构的测试曲线对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。参照图1，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，根据过渡结构的物理特征构建等效电路。如图2所示，本实例所用的带通共面波导微带无通孔过渡结构，由共面波导，过渡段和微带线三部分组成。其中：共面波导，包括中心信号线和地线；过渡段，包括共面波导过渡段和微带过渡段两部分；共面波导过渡段，包括宽度渐变的中心信号线和宽度渐变的地线；共面波导与共面波导过渡段通过各自的中心信号线串联连接，微带过渡段与共面波导过渡段的中心信号线串联连接，微带过渡段与微带线通过渐变线串联连接。以上部分制作在氮化铝衬底的正面，背面由金属层覆盖。对上述带通共面波导微带无通孔过渡结构进行等效电路的构建按如下步骤进行：1.1)将共面波导结构的中心信号线等效为输入电感L1，将共面波导与微带之间过渡段的频率选择效应等效为过渡电容C1，将过渡段的损耗效应等效为过渡电阻R1，将微带部分等效为输出电感L2，并将输入电感L1、过渡电容C1、过渡电阻R1和输出电感L2依次串联连接，形成干路；1.2)将共面波导中心信号线与地线之间的电容效应等效为接地电容C2，将共面波导中心信号线与地线之间的损耗效应等效为接地电阻R2；接地电阻R2的一端通过接地电容C2接地，另一端连接到输入电感L1与过渡电容C1的连接处，如图3所示。步骤2.获取所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1。散射参数S1的获取有两种方法，第一种是通过三维电磁仿真软件对过渡结构的三维模型进行电磁仿真，获得该过渡结构散射参数S1，该方法的优点是避免了制作真实结构的麻烦，并且具有很好的准确性；第二种方法是制作出需要建模的过渡结构，对该过渡结构进行测试，直接获得其散射参数S1。本实例采用第一种方法，即通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1： S 1 = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带通共面波导微带无通孔过渡结构集总模型的构建方法，包括：(1)根据过渡结构的物理特征构建等效电路：1a)将共面波导结构的中心信号线等效为输入电感L1，将共面波导与微带之间过渡段的频率选择效应等效为过渡电容C1，将过渡段的损耗效应等效为过渡电阻R1，将微带部分等效为输出电感L2，并将输入电感L1、过渡电容C1、过渡电阻R1和输出电感L2依次串联连接，形成干路；1b)将共面波导中心信号线与地线之间的电容效应等效为接地电容C2，将共面波导中心信号线与地线之间的损耗效应等效为接地电阻R2；接地电阻R2的一端通过接地电容C2接地，另一端连接到输入电感L1与过渡电容C1的连接处；(2)通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1；(3)根据散射参数S1提取等效电路中的电容、电阻和电感元件的初始值，即：输入电感L1的初始值为h1、过渡电容C1的初始值为q1、过渡电阻R1的初始值为w1、输出电感L2的初始值h2、接地电容C2的初始值q2和接地电阻R2的初始值w2；(4)对(3)得到的等效电路中各元件的初始值进行仿真优化，直到等效电路仿真的散射参数S2与三维电磁仿真的散射参数S1一致，得到等效电路各元件的最终值，即：输入电感L1的最终值H1、过渡电容C1的最终值Q1、过渡电阻R1的最终值W1、输出电感L2的最终值H2、接地电容C2的最终值Q2和接地电阻R2的最终值W2，这些最终参数用于单片微波集成电路、混合微波集成电路设计和在片测试的去嵌入计算。...

【技术特征摘要】
1.一种带通共面波导微带无通孔过渡结构集总模型的构建方法，包括：(1)根据过渡结构的物理特征构建等效电路：1a)将共面波导结构的中心信号线等效为输入电感L1，将共面波导与微带之间过渡段的频率选择效应等效为过渡电容C1，将过渡段的损耗效应等效为过渡电阻R1，将微带部分等效为输出电感L2，并将输入电感L1、过渡电容C1、过渡电阻R1和输出电感L2依次串联连接，形成干路；1b)将共面波导中心信号线与地线之间的电容效应等效为接地电容C2，将共面波导中心信号线与地线之间的损耗效应等效为接地电阻R2；接地电阻R2的一端通过接地电容C2接地，另一端连接到输入电感L1与过渡电容C1的连接处；(2)通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1；(3)根据散射参数S1提取等效电路中的电容、电阻和电感元件的初始值，即：输入电感L1的初始值为h1、过渡电容C1的初始值为q1、过渡电阻R1的初始值为w1、输出电感L2的初始值h2、接地电容C2的初始值q2和接地电阻R2的初始值w2；(4)对(3)得到的等效电路中各元件的初始值进行仿真优化，直到等效电路仿真的散射参数S2与三维电磁仿真的散射参数S1一致，得到等效电路各元件的最终值，即：输入电感L1的最终值H1、过渡电容C1的最终值Q1、过渡电阻R1的最终值W1、输出电感L2的最终值H2、接地电容C2的最终值Q2和接地电阻R2的最终值W2，这些最终参数用于单片微波集成电路、混合微波集成电路设计和在片测试的去嵌入计算。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1，是通过三维电磁仿真软件仿真得到所用带通共面波导微带无通孔过渡结构的散射参数S1： S 1 = S 1 11 S 1 12 S 1 21 S 1 22 , ]]>其中，S111为过渡结构的输入端口电压反射系数，S121为过渡结构的正向电压增益，S112为过渡结构的反向电压增益，S122为过渡结构的输出端口电压反射系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中提取等效电路中电容、电感和电阻的初始值，按如下步骤进行：(3.1)将用三维电磁仿真软件仿真得到的散射参数S1转换成为转移矩阵T： T = A B C D = ( 1 + S 1 11 ) ( 1 - S 1 22 ) + S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 Z 0 ( 1 + S 1 11 ) ( 1 + S 1 22 ) - S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 1 Z 0 ( 1 - S 1 11 ) ( 1 - S 1 22 ) - S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 ( 1 - S 1 11 ) ( 1 + S 1 22 ) + S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 , ]]>其中，A为输出开路时的输入输出电压比，B为当输出短路时的转移阻抗，C为当输出开路时的转移导纳，D为当输出短路时的输入输出电流比，Z0为系统的特性阻抗。根据矩阵各项之间的关系得到： A = ( 1 + S 1 11 ) ( 1 - S 1 22 ) + S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 B = Z 0 ( 1 + S 1 11 ) ( 1 + S 1 22 ) - S 1 12 S 1 21 2 S 1 21 C = 1 Z 0 ( 1 - S 1 11 ) ( 1 - S 1 22 ) - S 1 12 S 1 21 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，郑佳欣，马佩军，张恒爽，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61