射频与微波集成电路参数提取的积分方程方法及应用研究

论文摘要

在现代高性能集成电路中,由于亚微米和深亚微米技术的发展,射频与微波集成电路中器件和单元电路的尺寸越来越小,集成度越来越高,器件间的耦合越来越强,依靠等效电路近似法和调试经验的经典微波无源器件设计方法已很难适应高精度、高要求的场合。因此,电磁场数值方法已经成为对微波集成电路进行分析设计的一个重要手段。随着微波集成电路特征尺寸的减小,在对其进行数值分析时,产生的未知量往往非常巨大,计算十分困难;为了对微波集成电路的几何结构进行精确的模拟,使得几何建模时的剖分尺寸远远小于波长,这时,传统的RWG基函数、加略金匹配法产生的阻抗矩阵几近奇异,条件数极差,存在不稳定性问题。因此,需要采用新型的基函数来解决这一问题。本文正是针对微波集成电路分析困难的问题,采用基于积分方程的全波分析方法对微波集成电路等平面分层结构电路进行分析计算。主要内容为:首先,介绍了分层介质中的电场及混合位积分方程,并对格林函数推导出由准动态、表面波、复镜像组成的闭合形式的表达式,从而加快了索末菲尔德积分的计算速度。其次,基于传统的RWG基函数的分析方法在计算低频及微波集成电路中大量存在的精细微小结构问题时,存在不稳定性问题。本文采用loop-tree基函数对其进行计算,它将有散电流与无散电流分开,很好地解决了RWG基函数存在的不稳定性问题。最后,介绍了两种用在矩量法分析过程中的S参数提取技术。并对一些微波无源器件的散射参数进行了提取,与等效电路方法的计算结果进行了比较。本文所用方法具有以下优点:1.采用平面分层介质格林函数对微波集成电路中的平面分层介质进行模拟,只需在金属表面进行剖分,具有未知量少的优点;2.对平面分层介质格林函数推导出了闭合形式的表达式,加快了格林函数的计算速度;3.采用loop-tree基函数取代了传统的RWG基函数进行计算,解决了RWG基函数在计算精细复杂结构物体时存在的不稳定性问题。所编制程序可用于对平面分层介质结构的微波集成电路进行参数提取及分析计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究历史与现状，存在的问题与挑战
• 1.3 本文的研究内容和研究思路
• 1.4 本文的研究贡献
• 第二章 微波集成电路的几何建模
• 2.1 微波集成电路几何结构的特点
• 2.2 微波集成电路几何建模中应注意的问题
• 2.3 微波集成电路几何结构对电磁模型的要求
• 第三章 积分方程矩量法的基本原理
• 3.1 微波集成电路分析的积分方程方法
• 3.2 积分方程的矩量法
• 3.3 基函数和权函数的选取
• 3.3.1 基函数的选取
• 3.3.2 权函数的选取
• 3.4 奇异性、近奇异性积分的计算
• 3.4.1 奇异性积分的计算
• 3.4.2 近奇异性积分的计算
• 3.5 微波集成电路电磁建模特点及相应的关键技术
• 第四章 平面分层介质积分方程及格林函数
• 4.1 混合位积分方程
• 4.1.1 分层介质中的电场积分方程
• 4.1.2 分层介质中的混合位电场积分方程
• 4.2 平面分层介质格林函数的计算
• 4.2.1 准动态和表面波的提取
• 4.2.1.1 提取准动态项
• 4.2.1.2 提取表面波
• 4.2.2 离散复镜像求解
• 4.3 小结
• 第五章 微波集成电路的积分方程方法矩量法分析中的基函数
• 5.1 精细复杂结构中的电磁问题
• 5.2 loop-tree 基函数
• 5.2.1 loop 基函数
• 5.2.2 tree 基函数
• 5.2.3 loop-tree 基函数的近奇异性处理
• 5.3 数值算例
• 第六章 微波无源器件的参数提取及其与等效电路方法的比较
• 6.1 平面电路的散射参数提取
• 6.1.1 四点法
• 6.1.2 阻抗矩阵技术
• 6.1.3 数值算例
• 6.2 等效电路模型
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻硕期间取得的研究成果