基于90 nm COMS毫米波共面波导建模

洪阿灌，王　翔，刘　军

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)



基于90 nm COMS毫米波共面波导建模

洪阿灌，王翔，刘军

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

摘要：硅基共面波导(CPW)是毫米波集成电路设计的基础元件之一.阐述了硅基共面波导(CPW)的机理和等效电路模型的设计方法，建立了基于硅衬底的标准90 nm CMOS工艺的毫米波CPW模型和参数提取算法，通过仿真和实测数据对比发现，模型在0～66 GHz内有效.

关键词：毫米波；共面波导；模型；COMS

0引言

随着通信需求不断向高速率和高频带的方向发展，毫米波段的单片微波集成电路(MMIC)应运而生[1].而硅基纳米工艺的不断进步，使得在硅基上设计和制造毫米波CMOS集成电路成为可能.其中，毫米波传输线是毫米波集成电路中最基本的组成部分.另一方面，共面波导(CPW)作为毫米波传输线的最基础无源器件，对单片MMIC电路性能起着关键作用，所以，CPW的研究已经成为毫米波频段的热点之一.目前，关于CPW主要进行两方面研究：一是为获得更好的高频传输特性进行传输线新型结构的开发设计[2]；二是针对毫米波传输线进行模型和参数提取的研究[3-4].本文采用台积电(TSMC)工艺的90 nm CMOS混合射频工艺设计CPW结构，建立了相应的等效电路模型并给出具体的参数提取算法，通过实验数据验证了0～66 GHz内模型和提取算法的准确性.

1传输线模型分析

传统RLGC模型如图1所示，模型建立在准TEM模式假设的基础上，假设在100 GHz以内都是合理的[5].因此，在所研究的频率范围内，RLGC模型可以准确地描述共面波导的特征.

图1　RLGC模型

本文建立的模型如图2所示，该模型由n个级联模块组成，每个模块的等效电路由1个串联分支和1个并联分支构成.串联分支由电感Lhf和R/L梯形网络构成，用来表征共面波导在高频下的趋肤效应.并联分支由两个部分构成：1)Csg用来描述信号线和接地线之间的电容效应；2)C-R-C网络用来描述在高频下信号耦合到硅衬底的损耗[6].

图2　CPW等效电路模型

2模型参数的提取

2.1串联分支

CPW的直流电阻Rdc由信号线导体电阻和两边地线导体电阻两部分组成，具体定义如下[7]：

(1)

其中，l为CPW的长度，σ为金属电导率，wg和ws分别为两边地线导体和信号线导体的宽度，t为示金属导体的厚度.直流电感Ldc由下式获得：

(2)

Ls和Lg1分别为信号线和地线的自感，Msg1为信号线和地线之间的互感，Mglg2为两边地线之间的互感.自感和互感的计算公式如下[8]：

(3)

(4)

其中，w为金属导体的宽度，dGMD为两导体之间的几何平均距离，近似等于两导体中心的距离.

根据测试数据，提取得到传统RLGC模型中的R，L，G，C[9].串联分支的阻抗Zmeasure=R+jωL，则有：

(5)

(6)

(7)

Rhf=R1,

(8)

(9)

Lhf=L1.

(10)

根据式(7)-(10)，可以确定R1，R2，L1，L2的值.

2.2并联分支

3模型验证

为了验证上述模型和参数提取算法的准确性，采用TSMC 90 nm CMOS混合射频工艺设计了CPW，测量使用的是安捷伦公司的E8363A网络分析仪(0.1～67 GHz)，并使用Mangan双线去嵌法[10]进行去嵌.2条CPW信号线长L分别为400 μm和100 μm，宽W和信号线与接地线间隙S均为5 μm，CPW实际流片结构版图如图3所示.

图3　CPW流片版图

使用上述参数提取的方法得到的参数值如表1所示，图4分别给出了CPW模型和实测数据S参数的对比.

表1　模型参数值

图4　仿真和实测的S参数对比

如图4所示，由于高频测试环境的不稳定，在40 GHz以上S11扰动比较大，整体上，在0～60 GHz内，模型和测试数据一致，验证了模型和参数提取算法的准确性.

4结束语

随着毫米波电路的发展，电路性能受制于无源器件这一现象已经越来越明显.传输线作为最基本的无源器件，是研究其他无源器件(如：电感，变压器等)的基础.本文以CPW作为研究对象，建立其等效电路模型，通过流片测试数据验证其有效性，为未来更高频率下的传输线研究建立基础.

参考文献

[1]HSU H M, LEE T H, HSU C J. Millimeter-wave transmission line in 90-nm CMOS technology[J]. Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, IEEE Journal on, 2012, 2(2): 194-199.

[2]KRISHNAMURTHY L, SUN Q, REZZZADEH A. 3-D low-loss coplanar waveguide transmission lines in multilayer MMICs[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2006, 54(6): 2864-2871.

[3]MILANOVIC V, OZGUR M, DEGROOT D C, et al. Characterization of broad-band transmission for coplanar waveguides on CMOS silicon substrates[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 1998, 46(5): 632-640.

[4]YANG M T, HO P P C, YEH T J, et al. On the millimeter-wave characteristics and model of on-chip interconnect transmission lines up to 110 GHz[C]//Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International. IEEE, 2005: 1918-1822.

[5]SAYAG A, RITTER D, GOREN D. Compact modeling and comparative analysis of silicon-chip slow-wave transmission lines with slotted bottom metal ground planes[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2009, 57(4): 840-847.

[6]LUO J, ZHANG L, WANG Y. A unified model and direct extraction methodologies of various CPWs for CMOS mm-wave applications[C]//Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 2012 IEEE. IEEE, 2012: 1-4.

[7]WANG H, ZENG D, YANG D, et al. A unified model for on-chip CPWs with various types of ground shields[C]//Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2011 IEEE. IEEE, 2011: 1-4.

[8]GREENHOUSE H M. Design of planar rectangular microelectronic inductors[J]. Parts, Hybrids, and Packaging, IEEE Transactions on, 1974, 10(2): 101-109.

[9]EISENSTADT W R, EO Y. S-parameter-based IC interconnect transmission line characterization[J]. Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, IEEE Transactions on, 1992, 15(4): 483-490.

[10]MANGAN A M, VOINIGESCU S P, YANG M T, et al. De-embedding transmission line measurements for accurate modeling of IC designs[J]. Electron Devices, IEEE Transactions on, 2006, 53(2): 235-241.

Millimeter-wave CPW Modeling Based on 90 nm COMS

HONG Aguan, WANG Xiang, LIU Jun

(KeyLaboratoryofRFCircuitandSystem,MinistryofEducation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：Si-based coplanar waveguide(CPW) is one of the basic components of millimeter wave integrated circuit design. This paper describes one of the key technology millimeter wave CMOS integrated circuits, Si-based mechanism coplanar waveguide(CPW) and equivalent circuit model. A millimeter-wave CPW model based on standard 90 nm CMOS process. By comparing simulation and experimental data, the model is valid for 0-66 GHz.

Key words：millimeter wave; CPW; model; COMS

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.001

收稿日期：2015-12-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61331006)

作者简介：洪阿灌(1990-)，男，福建石狮人，硕士研究生，电路与系统.通信作者：王翔讲师，E-mail：wangxiang@hdu.edu.cn.

中图分类号：TN432

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)04-0001-04