石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法技术

本发明专利技术公开了石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法，其中涉及的石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，包括直流电阻R

【技术实现步骤摘要】
石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯片上螺旋电感器
，尤其涉及石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法。

技术介绍

[0002]随着CMOS技术的进步，射频集成电路(RFICs)成为可能，并在过去的几十年中受到越来越多的关注。重量轻、功能多、成本低，电感密度高和功耗低的片上螺旋电感器被广泛应用于低噪声放大器、压控振荡器和滤波器的设计中。有效电感值与品质因数是衡量片上电感器性能的主要参数，影响电感特性的因素有很多，如衬底电阻率和金属厚度，增加金属厚度可以通过减小欧姆损耗来提高质量因数，但在高频下会产生相反的效果，这是由于在更高的频率处会加大邻近效应和趋肤效应。
[0003]为了提高片上螺旋电感器的有效电感值与品质因数，提出了一种新型的锥形螺旋电感器的结构
‑
宽度和间距都是可变的，能够产生这种效果的本质原因是磁场线在螺旋电感器中心转弯处会产生非常大的电流聚集效应，对于等宽的片上螺旋电感器，均匀的宽度和间距不能减少由于电流聚集效应而产生的电阻，但在锥形螺旋电感器中，在保持螺距(即宽度和间距之和)不变的情况下，内圈的宽度在减小，间距在增大，当磁场达到最大时，宽度窄而间距宽的内圈会减轻电流的聚集效应。通过这种优化方法可以显著的增加有效电感值和品质因数的峰值，而且不以增加电感的面积为代价。
[0004]由于传统金属的锥形螺旋电感器的电感受到电磁感应定律的限制，所以对于锥形螺旋电感器的可扩展性仍存在固有的局限性。碳纳米材料，包括碳纳米管(CNT)和石墨烯，被认为是制备锥形螺旋电感器最具有潜力的候选材料，这是由于GNRs和CNT有较强的sp2杂化键，独特的物理性质，如大的平均自由程(MFP)，极高的电流承载能力和热导率，大的动量弛豫时间。已有实验证明，单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MLCNT)、单层石墨烯带(SLGR)和多层石墨烯带(MLGRs)的性能显著优于传统的金属，与碳纳米管相比，石墨烯的制造过程更加简单，更加可控。
[0005]因此，本专利技术提供了石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型及参数计算方法，考虑了制备片上螺旋电感器的材料的动电感特性，提出了锥形螺旋电感器的等效电路模型，利用本电路模型可以快速有效的计算出电路参数，并与HFSS仿真软件对比，验证了建模的准确性，从而得到基于石墨烯的锥形螺旋电感器的有效电感值和品质因数随着频率变化的特性曲线图。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，包括直流电阻R
dc
、直流电感L
dc
、硅基底的等效电容C
si
、硅基底的等效电阻R
si
、电感和衬底间的耦合电容C
ox
；硅基底的等效电容C
si
、
硅基底的等效电阻R
si
并联连接后再与电感和衬底间的耦合电容C
ox
串联连接，得到等效阻抗单元；直流电阻R
dc
与直流电感L
dc
串联连接，得到四阶梯形网络；等效阻抗单元与四阶梯形网络串联组成石墨烯片上螺旋电感器的π型等效电路模型。
[0009]进一步的，所述四阶梯形网络还包括等效电阻R1、等效电阻R2、等效电阻R3、等效电阻R4、等效电感L1、等效电感L2、等效电感L3；等效电阻R1、等效电阻R2、等效电阻R3、等效电阻R4并联连接；等效电感L1、等效电感L2、等效电感L3串联连接；等效电感L1与等效电阻R2串联连接，等效电感L2与等效电阻R3串联连接，等效电感L3与等效电阻R4串联连接；等效电阻R1与直流电感L
dc
串联连接。
[0010]进一步的，所述四阶梯形网络为顶层金属在高频作用下所产生的邻近和趋肤效应等效的四阶梯形网络阻抗单元。
[0011]进一步的，所述直流电阻R
dc
、直流电感L
dc
分别表示为：
[0012][0013]L
dc
＝L
self
+∑M
+
+∑M
_
[0014][0015][0016][0017]其中，σ
m
表示锥形螺旋电感器材料的电导率；μ0表示磁导率；t
m
表示锥形螺旋电感器的厚度；l
i
和w
i
分别表示锥型螺旋电感器第i圈的长度和宽度i＝1,2，
…
，N；l表示锥形螺旋电感器的长度；w表示锥型螺旋电感器的宽度；p表示锥形螺旋电感器相邻线圈的距离；L
self
表示锥形螺旋电感器的自感；M表示锥形螺旋电感器的互感；M
+
表示锥形螺旋电感器的线圈电流方向同相时产生的正向互感；M
‑
表示锥形螺旋电感器线圈电流方向反相时产生的的反向互感，q表示两条线之间的几何平均距离。
[0018]进一步的，所述四阶梯形网络阻抗单元，表示为：
[0019][0020][0021]R
i+1
＝R
i
/Γ
R
,i＝1,2,and 3
[0022]α
R
＝R1/R
dc
[0023][0024][0025]L
i+1
＝L
i
/Γ
L
,i＝1,2,and 3
[0026]α
L
＝χα
R
＝L
int
/L1[0027][0028][0029]其中，δ
max
表示工作在最大频率f
max
时的趋肤深度；χ表示在满足L
int
/L1＞1条件是拟合的参数值，I是激励电流值，B
i,i
，B
i,others
分别表示第i圈的磁场和除了第i圈之外其他圈对第i圈的磁场影响；R
i+1
表示等效电阻R
i+1
；L
i+1
表示等效电感L
i+1
；d表示邻近和趋肤效应比值；Γ
R
和Γ
L
表示四阶梯形网络中所确定的常数；L
int
表示导体的内部电感；α
R
表示电阻比值；α
L
表示电感比值；I表示激励电流值。
[0030]进一步的，所述硅基底的等效电容C
si
、硅基底的等效电阻R
si
、电感和衬底间的耦合电容C
ox
分别表示为：
[0031][0032][0033]R
Si
＝ε
Si
/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，包括直流电阻R
dc
、直流电感L
dc
、硅基底的等效电容C
si
、硅基底的等效电阻R
si
、电感和衬底间的耦合电容C
ox
；硅基底的等效电容C
si
、硅基底的等效电阻R
si
并联连接后再与电感和衬底间的耦合电容C
ox
串联连接，得到等效阻抗单元；直流电阻R
dc
与直流电感L
dc
串联连接，得到四阶梯形网络；等效阻抗单元与四阶梯形网络串联组成石墨烯片上螺旋电感器的π型等效电路模型。2.根据权利要求1所述的石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，所述四阶梯形网络还包括等效电阻R1、等效电阻R2、等效电阻R3、等效电阻R4、等效电感L1、等效电感L2、等效电感L3；等效电阻R1、等效电阻R2、等效电阻R3、等效电阻R4并联连接；等效电感L1、等效电感L2、等效电感L3串联连接；等效电感L1与等效电阻R2串联连接，等效电感L2与等效电阻R3串联连接，等效电感L3与等效电阻R4串联连接；等效电阻R1与直流电感L
dc
串联连接。3.根据权利要求1所述的石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，所述四阶梯形网络为顶层金属在高频作用下所产生的邻近和趋肤效应等效的四阶梯形网络阻抗单元。4.根据权利要求3所述的石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，所述直流电阻R
dc
、直流电感L
dc
分别表示为：L
dc
＝L
self
+∑M
+
+∑M
‑‑‑
其中，σ
m
表示锥形螺旋电感器材料的电导率；μ0表示磁导率；t
m
表示锥形螺旋电感器的厚度；l
i
和w
i
分别表示锥型螺旋电感器第i圈的长度和宽度i＝1，2，...，N；l表示锥形螺旋电感器的长度；w表示锥型螺旋电感器的宽度；p表示锥形螺旋电感器相邻线圈的距离；L
self
表示锥形螺旋电感器的自感；M表示锥形螺旋电感器的互感；M
+
表示锥形螺旋电感器的线圈电流方向同相时产生的正向互感；M
‑
表示锥形螺旋电感器线圈电流方向反相时产生的的反向互感，q表示两条线之间的几何平均距离。5.根据权利要求4所述的石墨烯片上螺旋电感器的等效电路模型，其特征在于，所述四阶梯形网络阻抗单元，表示为：
R
i+1
＝R
i
/Γ
R
，i＝1，2，and3α
R
＝R1/R
dcdc
L
i+1
＝L
i
/Γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文生，袁梦姣，王大伟，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：