基于双线传输线的太赫兹平面波导器件研究.pdf 13页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于双线传输线的太赫兹平面波导器件研#究11,21,211**殷恒辉，陈麟，朱亦鸣，孙青云，魏玉明5（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093；2.上海现代光学系统重点实验室，上海200093）摘要：在本篇文章当中，介绍了共面波导的损耗与色散探索历程，讲述了前人的研究成果。然后在前人的研究成果上，采用模拟公式分析与全波电磁仿真来研究共面波导的损耗与色10散，得出了多个结论，并将两种方法得到的结果进行了对比与分析，证实了结论的正确性。简单的介绍了超材料的基本概念，以及共面波导超材料谐振器的发展状况。提出和演示了一个新颖的共面波导谐振器在柔性材料底板上的制作，能够进行大范围的角度传输。着重介绍了器件的设计制作过程，并对仿真和实验测试结果进行了详细的分析。关键词：共面波导；损耗与色散；平面波导器件15中图分类号：O441Studyonterahertzplanarwaveguidedevicebasedondoublelinetransmissionline11,21,211YINHenghui,CHENLin,ZHUYiming,SUNQingyun,WEIYunming20(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiScienceandTechnology,Shanghai200093;2.ShanghaiKeyLaboratoryofModernOpticalSystems,Shanghai200093)Abstract:Inthispaper,thelossanddispersionofthecoplanarwaveguideareintroduced,andtheresultsoftheresearcharedescribed.Then,byusingthesimulationformulaandthefullwave25electromagneticsimulationtostudythelossanddispersionofcoplanarwaveguide,theresultsofthetwomethodsarecomparedandanalyzed,andtheconclusionisverified.thebasicconceptofthemetamaterialsandthedevelopmentofthecoplanarwaveguideresonatorareintroduced.Anovelcoplanarwaveguideresonatorisproposed,whichcanbendthetransmissiondirectioninalargeanglerange.Thedesignandfabricationofthedeviceareintroduced,andthesimulationandexperiment30resultsareanalyzedindetail.Keywords:Coplanarwaveguide;Lossanddispersion;Planarwaveguidedevice0引言在太赫兹技术领域，当有了高效的太赫兹发射源与高灵敏的探测器时，太赫兹在自由空35间中传输损耗大的问题就成为制约发展的瓶颈之一。根据传输方式的不同，太赫兹传输可以[1][2][3][4]分为金属波导传输、太赫兹光纤传输、介质波导传输、表面等离子激元传输以及人[5]工电磁媒质传输等；根据介质材料的不同可以分为共面线、聚合物光纤、光子晶体光纤、[6]塑料光纤等；根据传输波导的不同可以分为金属波导、介质波导、平行板波导和金属丝波导等。作为微波平面传输线的重要类型之一的共面波导，在科学技术的发展潮流下，在集成40电路的飞速发展下，受到了各国学者越来越多的关注。与常规微带传输线相比，共面波导（coplanarwaveguide，CPW)有着结构单层、损耗小、价格低，并且易于与电子元件形成集基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20133120110007）作者简介：殷恒辉（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向：太赫兹波导，等离子体表面研究通信联系人：陈麟（1980-），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：太赫兹集成芯片，混合超材料结构中的伪局域表面波，波导相关的太赫兹无源器件及物理机理研究.E-mail:chenlin@usst.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn成电路等优点。近年来，太赫兹“集成电路”和“芯片式检测”技术受到越来越大的关注，而实现这些技术依赖太赫兹片上波导系统的完善和发展。因此，平面集成太赫兹波导芯片的研究成为了太赫兹科学领域关注的焦点，设计特殊结构的太赫兹芯片，使太赫兹波在芯片上产生45比自由空间中高几倍的场的增强效应。对这种波导芯片的研究，对于实现太赫兹无线通信以及相关的太赫兹逻辑计算编码等将具有非常重要的意义。1共面波导在太赫兹频率下的损耗与色散分析1.1CPW的损耗与色散分析在最初的微波电路设计中，准TEM方法与分析公式是最重要的步骤，能够通过使用50这些公式计算出CPW的有效介电常数与特性阻抗大小。电磁仿真技术仿高频结构在近十年来发展很快，有效的使用电磁仿真技术来精确设计集成电路一直是一个研究的热点。本文采用模拟公式分析与全波电磁仿真来研究CPW的损耗与色散。1.1.1CPW的CST计算模型图1-1给出了传统CPW的CST空间计算模型，由一条金材料中心带线和分居两侧的55金材料地平面覆盖在砷化镓底板上。这里的研究尺寸为中心带线S1=10μm，地平面S2=120μm，间隙W=6.6μm。仿真的波导长度L=1㎜，金导体的厚度t=0.5μm，砷化镓底板高度H=30μm。底板砷化镓的相对介电常数为12.95，是一个损耗电介质，损耗正切角为0.006，7金的电导率为4.561×10S/m。整个结构周围使用完美边界条件。由于高斯脉冲具有很宽的[7]频谱，所以一般在仿真过程中使用高斯脉冲，这样可以得到宽频带内的信息。60图1-1在CST软件中使用的典型CPW结构图1.1.2特性对比及分析（1）有效介电常数与特性阻抗图1-2为CPW在THz频率下的有效介电常数随频率的变化曲线。其中图3-2（a）采[8]65用Hasnain等人的全波分析公式在MATLAB程序中画出的变化曲线图；图1-2（b）为通过CST软件仿真S参数计算得出的结果。这里频率范围为0-1.5THz。从图1-2中很明显的可以看出CPW的有效介电常数随频率的增大而增大。两者可以通过对比发现它们在1THz内的误差很小。在图1-2（b）中，曲线在1.3THz频率处发生突变，是由于在CST仿真过程中，没有设定磁对称面，所以，随着频率的增大，CPW的本征模式发生变化所引起。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn70（a）全波分析公式（b）CST仿真S参数计算图1-2THz频率下的CPW有效介电常数随频率变化图图1-3显示了CPW在THz频率范围内的特性阻抗随频率变化的关系，阻抗单位为欧姆，也可明显看出CPW的特性阻抗随频率的增大而减小。同样，两种方法的对比在1THz范围75内几乎没有误差，证明了它们之间的正确性。图1-3（b）在1.3THz频率处的突变与图1-2（b）的情况相对应。（a）全波分析公式（b）CST仿真S参数计算图1-3THz频率下的CPW特性阻抗随频率变化图80对于共面波导结构而言，中心带线宽度S1与间隙W对其影响最大。这里，我们固定中心带线宽度，研究间隙W对波导的色散与衰减常数的影响。W分别取1.6μm，6.6μm，12μm，在1THz频率处对应的特性阻抗分别为33Ω,49Ω,57Ω。频率范围设定为0-1THz。图1-4显示了不同W的CPW有效介电常数变化关系图，可以明显的看出有效介电常数随着间隙W的增大而逐渐增大。图1-5显示了不同W的CPW特性阻抗变化关系，可以看出特性阻抗随着[7-9]85间隙W的增大而增大。这些结论与文献中理论结果相同。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1-4不同间隙W的CPW有效介电常数变化关系图1-5不同间隙W的CPW特性阻抗变化关系90（2）色散CPW具有低色散，由于只有部分场是在电介质区域内，还有部分场在空气区域内，在电介质和空气的分界面上不能实现TEM波的相位匹配，所以支持一个准TEM主导模式。图1-6为间隙W=6.6μm时CPW的色散曲线图，是使用CST仿真软件中本征模求解器仿出的结果。色散曲线显示了传播常数与激励信号频率之间的变化关系。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn95图1-6间隙W=6.6μm时CPW的色散曲线图（3）CPW的损耗CPW的总损耗主要分为三部分：辐射损耗（）、导体损耗（）和介质损耗（）。TRCD这里我们通过CST软件的仿真和得到的S参数计算结果进行对比，研究不同损耗之间的关100系。这里选用的底板材料为苯并环丁烯（benzocyclobutene，BCB），一种高分子复合材料，[10]它的相对介电常数为2.4，是一个损耗电介质，损耗正切角为0.007。研究频率范围也为0-1THz。为了研究它们各自的损耗，金属和底板的特性如表1。表1估算各种损耗的金属和底板参数损耗AuSm/(tan)BCB10100R4.5611070RC10100.007RD70.007TRDC4.56110（a）辐射损耗105在估算衰减常数时，将金属假设为完美电导体，这里将金属电导率设置足够高，为R1010Sm/，将底板的介质损耗正切角设置为0，这样就可以得到辐射损耗。图1-7显示了不[11]同间隙W由辐射损耗引起的衰减，由CST软件仿真出S参数，根据文献进行计算得到的结果。从图1-7中能够清晰地看出，辐射损耗随着间隙W的增大而增大。随着间隙W的增大，辐射角增大，电磁冲击波射进底板的能量就越多，损耗也就越大。辐射损耗从500GHz110开始，与频率成立方关系，在高频处决定了总损耗。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1-7不同间隙W的辐射损耗随频率的变化关系（b）导体损耗7在估算导体损耗时，将金属的电导率设置为有限值4.56110Sm/，底板的介质损C115耗正切角设置为0，这样就可以得到辐射损耗和导体损耗。金属的厚度等于0.5μm，远远大于趋肤深度。所以，高的电导率就会有低的阻抗，这样就可以减小导体损耗。当金属的电导7率为4.56110Sm/时，在1THz频率处趋肤深度在75nm左右。图1-8显示了不同间隙W的导体损耗衰减随频率的变化关系。从图中可以看出导体损耗随着间隙W的增大而减小，与频率的平方根相关。间隙W越小会使金属中电流强度更大、更多的聚集在导体的表面，120增大了导体损耗。减小导体损耗，带线宽度与间隙需在同一数量级。图1-8不同间隙W的导体损耗随频率的变化关系（c）介质损耗10在估算介质损耗时，将金属的电导率设置为10Sm/，底板的介质损耗正切角设置D125为0.007，这样就可以得到辐射损耗和介质损耗。图1-9显示了不同间隙W的介质损耗衰减随频率的变化关系。从图中可以看出介质损耗随着间隙W的增大而增大，与频率成正比关系。导体损耗的微小变化来源于CPW的色散，受频率f和间隙W的影响较小。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（d）总损耗7在估算总损耗时，将金属的电导率设置为有限值4.56110Sm/，底板的介质损耗正130切角设置为0.007，这样就可以得到总损耗。图1-10显示了不同间隙W的总损耗随频率变化关系。从图1-7到图1-9可以看出辐射损耗决定了总损耗的高频部分，导体损耗决定了总损耗的低频部分。总体趋势是总损耗也是随着频率的增加而增加。图1-9不同间隙W的介质损耗随频率的变化关系135图1-10不同间隙W的总损耗随频率的变化关系1.2CST仿真与S参数计算对比本文除了使用CST仿真提取S参数计算结果，也通过了CST本身自带的矩阵计算功能，仿真得出了相似的结果。将计算结果与CST仿真数据进行了对比，如图1-11到图1-14。在140CST自身仿真结果中，出现了一些波动与毛刺，这是由于机器配置低的原因，总体结果非常的吻合。-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1-11不同间隙W的辐射损耗随频率的变化关系145图1-12不同间隙W的导体损耗随频率的变化关系图1-13不同间隙W的介质损耗随频率的变化关系-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150图1-14不同间隙W的总损耗随频率的变化关系1.3分析总结采用模拟公式分析与全波电磁仿真来研究CPW的损耗与色散，将两种方法得到的结果进行了对比与分析。并得出了以下结论：在低频处，CPW的有效介电常数随频率的增大而增大，CPW的特性阻抗随频率的增大而减小，有效介电常数随着间隙W的增大而逐渐增155大，特性阻抗随着间隙W的增大而增大；辐射损耗随着间隙W的增大而增大，导体损耗随着间隙W的增大而减小，介质损耗随着间隙W的增大而增大。2CPW超材料谐振器设计2.1结构的设计这里，我们在柔性底板材料聚萘二甲酸乙二醇酯（polyethylenenaphtha-late,PEN）上进160行结构的设计，完全采用“芯片式”集成方法。整个器件由集成CPW和两个位于CPW中心信号线和地线之间的互补矩形谐振腔（complementarysplitrectangleresonators,CSRR）组成，总体紧凑、单层，从而更加的集成。这CPW-CSRR结构制造在125μm厚的柔性PEN上，所以能够大范围的自由弯曲传输，能够工作在非平面。这样的自由弯曲特性能够给微波和太赫兹传感和探测领域带来许多的便利。165我们结构的顶部视图和结构单元参数如图2-1所示。整体器件的长a和宽b分别为8mm和3mm。在传输线两端的输入和输出端口的中心信号线s=100μm，槽宽g=10μm，这两参数的选择是为了得到50Ω的特性阻抗以及与网络分析仪的探头阻抗相匹配，这样能够减少反射损耗与信息失真。CPW中间部分的中心信号线v=460μm，槽宽G=30μm。我们增加了这样的三角形渐变结构是为了适合网络分析仪的探头的间距，使器件与探头相连接。这CSRR170结构中两个中心棒之间间距n=30μm，宽度p=30μm，间隙m=10μm。谐振器结构长度k=660μm，宽度f=470μm，其余参数分别为e=200μm，d=300μm以及c=720μm。-9- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn175180185图2-1结构的顶部视图和结构单元参数我们还是采用CST仿真软件进行时域仿真，边界为完美边界条件。底板PEN的相对介电常数2.56，是一种损耗电介质材料，损耗正切角为0.003，0.5μm厚的金的电导率pi7为4.561×10S/m。通过仿真获取最大的品质因数与局域电磁场强度，不断的优化参数。2.2测试与仿真结果的对比190仿真和实验测试的传输光谱图分别如图2-2（a）和（b）所示。仿真和实验测试的传输频率谐振点分别在31.9GHz和31.8GHz，几乎是在同一位置，吻合的很好。仿真频率谐振点处的插入损耗低于-45dB，此时对应的品质因数达到115.7。频率谐振带宽之外的插入损耗很小，能够高效传输电磁波。但是，样品的实验测试结果没有出现如仿真那样强的谐振行为。测试传输谐振点处的插入损耗低于-12dB，此时对应的品质因数为15.1。仿真和实验测试结195果的差异可以归结为工艺制作的误差，比如两条CPW的信号线与地线之间的间隙不相等，由于PEN底板材料表面的不光滑引起的欧姆损耗，表面金属边缘有着不可避免的倾斜角，金属电介质表面的缺陷等等，这些因数都没有完全考虑进仿真。200205图2-2（a）仿真和（b）实验测试的传输光谱图-10- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.3结果分析这儿我们讨论频率谐振点在31.9GHz的谐振原因。CPW在低频传输时，有着固定的传[12-13]输模式。器件中间的谐振结构干扰了传输线固有的电场和磁场，也就改变了CPW的有210效电容和电感，从而产生了传输谐振峰。在谐振频率处，谐振结构上的电场强度是自由空间的几倍甚至更大。如图2-3（a）所示，电场主要聚集在了谐振结构中的两棒之间，从而增加了电场对周围空间变化的灵敏度。图2-3（b）的电场分布是引起传输谐振的原因。图2-3（c）是能量没有被截止处的电场分布。场强监测是在传输结构上表面0.01μm处。在频率31.9GHz处，电场主要集中在CPW-CSRR上表面垂直距离365μm处，超过这个距离，电场强度急剧215减小。如果作为传感探测应用，这个设计的CPW-CSRR结构不仅增加了传感芯片与样品之间的反应面积，而且增加了被测样品性质的变化强度（如电介质常数、吸收系数等）。因此，探测的精度也得到巨大的提高。220225图2-3器件不同位置的电场分布230(a)CPW-CSRR在低频谐振点31.9GHz处的电场分布；（b）谐振结构上的电场分布；（c）能量没有被截止处的电场分布另外，我们也探究了间隙m的变化对整个结构传输特性的影响。图2-4中仿真结果显示了不同的m值对应的不同的谐振频率与插入损耗。图2-5显示了品质因数随m值的变化折线图。总体上，传输的插入损耗与品质因数都随着m值的增加而减小。从图中也可以看235出，传输谐振频率点随着m值的增加而呈现增加的趋势，一个清晰地蓝移现象能够观察到。由于m值的增加导致有效电容的减小，因此，传输频率谐振点向着更高频率处移动。我们可以根据以上结论，可以根据不同的应用要求，容易地进行传输谐振频率点的调整。240-11- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn245250图2-4不同的m值对应的不同的谐振频率与插入损耗255260265图2-5品质因数随m值的变化折线图3结论本文给出了进行基于双线传输线的太赫兹平面波导器件的研究。主要内容包括：介绍了共面波导的特性参数，包括色散特性、特征阻抗、相速度、损耗的公式推演。采用模拟公式270分析与全波电磁仿真来研究了CPW的损耗与色散，将两种方法得到的结果进行了对比与分析。并得出了以下结论：在低频处，CPW的有效介电常数随频率的增大而增大，CPW的特性阻抗随频率的增大而减小，有效介电常数随着间隙W的增大而逐渐增大，特性阻抗随着间隙W的增大而增大；辐射损耗随着间隙W的增大而增大，导体损耗随着间隙W的增大而减小，介质损耗随着间隙W的增大而增大。介绍了新颖器件的想法设计制作过程，电磁275仿真与测试，对仿真和实验测试结果进行了对比与分析。仿真频率谐振点处的插入损耗低于-45dB，此时对应的平质因数达到115.7。测试传输谐振点处的插入损耗低于-12dB，此时对-12- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn应的品质因数为15.1。整个芯片满足易集成、单层紧凑，与标准平面制备技术相兼容。结构的最优设计使电场主要集中在谐振器的两棒之间，非常适合应用于生物与传感等方面。因为不仅增加了传感器件与被测样品之间的作用区域，而且也增加了敏感度。280[参考文献](References)[1]McGowanRW,GallotG,GrischkowskyD.Propagationofultrawidebandshortpulsesofterahertzradiationthroughtsubmillimeter-diametercircularwaveguides[J].Opticsletters,1999,24(20):1431-1433.[2]PonsecaJrCS,PobreR,EstacioE,etal.Transmissionofterahertzradiationusingamicrostructuredpolymer285opticalfiber[J].Opticsletters,2008,33(9):902-904[3]RouxJF,AquistapaceF,GaretF,etal.Grating-assistedcouplingofterahertzwavesintoadielectricwaveguidestudiedbyterahertztime-domainspectroscopy[J].Appliedoptics,2002,41(30):6507-6513.[4]KumarG,LiS,JadidiMM,etal.Terahertzsurfaceplasmonwaveguidebasedonaone-dimensionalarrayofsiliconpillars[J].NewJournalofPhysics,2013,15(8):085031290[5]ChauKJ,ElezzabiAY.Terahertztransmissionthroughensemblesofsubwavelength-sizemetallicparticles[J].PhysicalReviewB,2005,72(7):075110.[6]王志辉，张勇，徐锐敏.几种太赫兹传输线的研究进展[C].2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）.2009.[7]郭冰，文锦辉，张海潮，等。共面微带传输线超短电脉冲传输特性[J].光子学报，2000，4.[8]HasnainG,WhinneryJR,DienesA.Dispersionofpicosecondpulsesincoplanartransmissionlines[J].IEEE295TransmissionsonMicrowaveTheoryTechniques,1986,34:738-741.[9]清华大学微带电路编写者编。微带电路[M].北京：人民邮电出版社，1976.[10]PerretE,ZerounianN,DavidS,etal.Complexpermittivitycharacterizationofbenzocyclobuteneforterahertzapplications[J].Microelectronicengineering,2008,85(11):2276-2281.[11]ZhangJ,HsiangTY.Subterahertzattenuationincoplanarwaveguides[C].MicrowaveSymposium300Digest,2005IEEEMTT-SInternational.IEEE,2005:4.[12]SimonsRN,AroraRK.Coupledslotlinefieldcomponents[J].IEEETransmissionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1982,7(30):1094-1099.[13]CaoL,Grimault-JacquinAS,ZerounianN,etal.DesignandVNA-measurementofcoplanarwaveguide(CPW)onbenzocyclobutene(BCB)atTHzfrequencies[J].InfraredPhysics&Technology,2014,63:157-164.-13-'