增大。
[0064] 本发明通过基于"平衡电桥"结构的宽带标准驻波比模块。这种实现方法的特点 是在两个信号线之间用一个中间岛过渡，中间岛分别用电阻连接两个信号线和地，从而提 高设计与工艺实现的一致性，也即设计结果与工艺实现的符合性基本不受W、L工艺尺寸伸 缩和电导率的影响。本发明提出的"平衡电桥"是有共面波导和微带电路两种设计实现，如 下图2和3所示。
[0065] 共面波导结构在信号线两侧有共面的地线，而微带线在信号线两侧没有地线，在 介质的背面镀金属层接地，薄膜电阻通过背孔与背面金属地相连。
[0066] 图4为本发明实施例的平衡电桥结构的等效电路示意图，如图4所示，平衡电桥结 构的等效电路模型：
[0070] 理论分析表明，一般近似条件下，驻波比VSWR与水平、垂直薄膜电阻比值r相关。 由上式可见，由于采用了"平衡电桥"结构，在表达式中消掉了测量不确定度较大的电阻率 〇，因此设计结果与实测结果可以较好符合。而且，这种"平衡电桥"结构，也有助于消除由 于工艺缩放造成的L、W公差引起的驻波比误差。
[0071] 本发明的"平衡电桥"还采用了"可变相位"的"平衡电桥"设计方法。这种设计的 方法是通过改变水平方向薄膜电阻前的信号线长度Ld来改变Sll的相位。其原理如下：
[0072] 假设信号线是匹配传输线，则电磁波从微波探针激励到薄膜电阻，再反射回微波 探针，Sll的相位为= 20 ? (Ld-A)
[0073] 其中，0是传播常数，Ld是信号线边缘到薄膜电阻的距离，A是探针针尖到信号 线边缘的距离。由上式可见，由于传播常数是与材料衬底特性及几何结构相关，改变信号线 长度时传播常数不变，因此可以通过改变信号线长度Ld来改变相位。
[0074] 本发明实施例还采用与驻波比类似的"平衡电桥"设计宽带标准衰减模块，包括 共面波导和微带电路两种形式。这种衰减模块的衰减值是经过定标的，例如从OdB(直通） 到-40dB，中间有几个典型值，例如-3dB、-10dB、-20dB、-30dB、-40dB等。
[0075] 本发明实施例所述的微波探针校准用标准样片采用共面波导和微带线结构的"无 支撑空气桥"，可以用于共面波导和微带线结构的微波阻抗国防及国家最高标准。
[0076] 在同轴和波导的微波网络中，通常采用无支撑空气线作为S参数最高标准。例如 我国的《GJB 3608-1999自动网络分析仪检定规程》规定，矢网的校准/检定采用如下检验 件：
[0077] (a)标准失配件：驻波比L 1、I. 5、2. 0,最大允许误差：2. 2% ;
[0078] (b)标准衰减件：衰减量 20dB、50dB。扩展不确定度 0? 05dB(20dB)、0? IOdB (50dB);
[0079] (c)标准无支撑空气线：电长度74.8898mm，最大允许误差：0?5°。
[0080] 标准无支撑空气线同时也作为微波阻抗国防和国家计量最高标准。
[0081] 根据电磁学原理，空气介质无支撑同轴传输线特性阻抗为：
[0083] 其中，e是介电常数、y是磁导率，对空气而言都有标准数值。因此通过精确测量 外导体内径D和内导体外径d以精确计算出该传输线的特性阻抗。考虑到接口过渡效应及 调节及支撑用小圆环的干扰，以及寄生电容，通过电磁仿真软件可以精确得到微波阻抗和S 参数。
[0084] 但对于共面波导，由于衬底的存在，则无法实现类似于同轴接口的"无支撑"理想 环境。举例而言，校准片通常采用陶瓷（Al 2O3)衬底，典型有四层结构，而对于实际器件生产 中采用的GaAs、GaN、InP等衬底而言就更为复杂，层结构更多，均难以实现理想的类似同轴 情况下的"无支撑"空气线。
[0085] 本发明设计的"无支撑空气桥模块"的结构如图5所示：
[0086] 由于半导体工艺的限制，"无支撑空气桥"长度L有限，难以满足计量标准对空气桥 长度的要求。本发明的"无支撑空气桥"结构的一个创新点是可以级联多个空气桥，在多个 空气桥之间用中间岛级联。如图6所示：
[0087] 本发明实施例的"无支撑空气桥"结构的一个创新点采用在金属信号线之上生长 "金属柱"，然后在"金属柱"上搭桥的方法实现。搭桥之后再用刻蚀的方法将金属线以外的 介质材料腐蚀掉，空气桥下面没有介质，只有空气，以此来实现类似于同轴和波导微波阻抗 标准"无支撑空气线"的"无支撑空气桥"效果。如图7-9所示：
[0088] 本发明实施例的一组共面波导和微带线结构的变长度"无支撑空气桥"，可以用于 共面波导和微带线结构的微波阻抗国防及国家最高标准。本创新点的一个实施例是：空气 桥长度L为20微米、30微米、40微米、50微米。
[0089] 本发明实施例的无支撑空气桥及级联无支撑空气桥，由于下方是空气，没有介电 衬底，因此完全可以通过几何量仿真得到该结构的微波阻抗和S参数，溯源通过几何量实 现。这种结构类似于同轴结构的"无支撑空气线"，可作为微波阻抗和S参数标准。
[0090] 下面将主要对本发明实施例所述的用于确定探针滑行位置的定位模块进行详细 的说明：
[0091] 本发明的在共面波导和微带线两侧放置了定位标记，用于确定探针滑行位置。从 而有效解决了探针滑行位置不同导致的S参数测试结果的不同。有了定位标记之后，探针 滑行的位置定位重复性更高。本发明的用于确定探针滑行位置的定位模块具体如图10所 不。
[0092] 需要说明的是，本发明实施例所述的微带结构的定位标记与共面波导类似，但没 有两侧的地。
[0093] 下面将对本发明的基于耦合结构的标准衰减和驻波比模块进行说明：
[0094] 本发明实施例的基于耦合结构的共面波导或微带线设计标准衰减和驻波比模块。 所谓耦合结构是指两个信号线之间距离很近，例如几个微米到十几微米左右，信号线之间 产生了电磁波耦合，由此设计出衰减和驻波比模块。由于这种设计整个过程中没有采用薄 膜介质电容、薄膜电阻等难以定标和溯源的材料，因此完全可以通过几何量对这种设计进 行溯源。
[0095] 本发明实施例的"基于耦合结构的标准衰减和驻波比模块"采用"共轴耦合结构" 设计。所谓"共轴"是指两个信号线在探针一侧共轴，这主要是为了保证探针校准后可以进 行原位测量，不用重新调整位置，优点是减小测量误差。"共轴耦合结构"的设计方法是让两 个发生耦合关系的信号线在进入耦合段之前先法向平移一段距离，由于共面波导的阻抗与 信号波导及地波导之间的距离相关，因此地波导也必须相应地改变形状以保证与信号波导 之间距离不变，如图11所示：
[0096] 理论分析及仿真结果表明，两个信号线之间的耦合量与耦合距离w、耦合长度L和 材料衬底的传播常数相关。当采用低损耗介电材料衬底如GaAs时，则只与传播常数的虚 部，也即有效介电常数e ' 关。耦合距离w、耦合长度L可直接通过显微镜等成像光学 方式溯源，而有效介电常数e ' 1^也可以通过TRL等算法准确测量得到，因此本发明设计的 基于耦合结构的衰减和驻波比模块具有可几何量溯源的优点，适合于计量校准应用。
[0097] 需要说明的是，本发明实施例所述基于耦合结构的衰减和驻波比设计的微带电路 形式与共面波导形式基本相同，但没有两侧的地波导。
[0098] 下面将主要对本发明所述基于"阻抗失配"结构的标准衰减和驻波比模块进行详 细的说明：
[0099] 本发明实施例采用基于"阻抗失配"结构的共面波导或微带线设计标准衰减和驻 波比模块。所谓"阻抗失配"结构是指信号线的阻抗不连续，产生了电磁波的反射和衰减。 本发明的采用基于"阻抗失配"结构的共面波导或微带线设计的一个实施例是采用台阶状 不等宽度信号线来实现"阻抗失配"效果，如图12所示：
[0100] 需要说明的是，本发明实施例所述微带电路实现与共面波导实现基本相同，但两 侧没有"地"。
[0101] 下面将结合图13至图27对本发明各个模块所实现的效果进行说明：
[0102] (1)具有定制衰减或驻波值的平衡电桥式模块
[0103] 本发明的标准驻波比模块的一个实施例是实现从I. 1到5. 0的不同驻波比，中间 有几个典型值，例如I. 5、2. 0。其中一种实现方式是在GaAs衬底上实现，也可扩展到Si、 GaN、InP、石墨烯等其他半导体和纳米器件和衬底上。本发明共面波导型平衡电桥模块实现 如图13所示：
[0104] 图14是本发明实施例的平衡电桥驻波比测试结果，根据图14所示，可知本发明提 出的"平衡电桥"的效果相比于"非平衡电桥"，优点在于：
[0105] (a)宽带工作、大驻波比：
[0106] "平衡电桥结构"的实测结果表明，在IGHz~40GHz的频段范围内，实现了 VSWR~4的大驻波比设计。传统的机械结构驻波比标准件只能实现VSWR < 2的小驻波比 复现。
[0107] (b)带内平坦：
[0108] "平衡电桥结构"的实测结果表明，在IGHz~40GHz的频段范围内，驻波比VSWR的 波动范围只有约0.4。
[0109] ⑵标准衰减模块。
[0110] 本发明的标准衰减模块的一个实施例是实现从3dB到30dB的不同衰减值，中间有 几个典