一种共面波导等效电路结构及其参数提取方法

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种共面波导等效电路结构及其参数提取方法。

背景技术：

随着社会的发展和技术的进步，宽带通信、高精度雷达和航空遥感等军民用领域对高频系统需求越来越迫切。微波毫米波波段以频带宽、空间分辨率高、方向性好、地面杂波和多径效应影响小等优点，在精确制导、电子对抗、军事通讯、高速智能化武器等军用方面具有广泛的应用前景。无源器件的性能是限制毫米波集成电路发展的主要障碍之一。共面波导作为最基本的无源器件，由于其低损耗、特性阻抗变化范围广等优点，既可以作为毫米波集成电路中最基本的互连线结构，又可以在匹配电路中作为电容和电感使用，因此一直深受人们关注。

在毫米波集成电路设计中，流片的时间成本和经济成本都比较高，为了缩短设计周期，提高设计效率，减少人力、物力浪费，提高产品良率是所有设计者都追求的目标。为了实现这一目标，需要建立高精度的器件模型，高效准确的模型是电路设计与工艺实现之间的桥梁，使生产者能够在工艺实现之前准确预判电路性能，减少电路仿真时间，缩短产品研发周期。因此，建立能够准确模拟器件特性的等效电路模型，通过等效电路的变化规律来优化设计对应的器件结构对于共面波导的发展至关重要。

目前，毫米波共面波导的设计朝着更广的应用范围和更短的设计周期方向发展。为了实现应用范围更广的设计需求，模型的精确度和表征范围也必须满足更高的要求。随着应用频率的升高，模型的准确性会有所下降，这就需要设计者考虑高频时可能出现的各种寄生效应，结合物理意义建立更高频也能准确表征的器件模型；同时，随着应用场景的增加，模型也要从只适用于固定尺寸发展成为适用多种尺寸。

因此，为了实现更短的设计周期需求，对于模型的建立以及优化时间也提出更高的要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种共面波导等效电路结构及其参数提取方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种共面波导等效电路结构，共面波导等效电路结构包括：第一等效电容(cf1)、第二等效电容(cf2)、第一等效电阻(rsi1)、第二等效电阻(rsi2)、第一等效电感(lsi1)、第二等效电感(lsi2)、第三等效电容(cox1)、第四等效电容(cox2)、第三等效电阻(rs)、第三等效电感(ls)、第四等效电阻(rsk)以及第四等效电感(lsk)，其中，

所述第一等效电容(cf1)的第一端连接所述第一等效电阻(rsi1)的第一端和所述第三等效电感(ls)的第一端，所述第一等效电容(cf1)的第二端连接所述第三等效电容(cox1)的第一端、所述第四等效电容(cox2)的第一端和所述第二等效电容(cf2)的第一端，且所述第一等效电容(cf1)的第二端、所述第三等效电容(cox1)的第一端、所述第四等效电容(cox2)的第一端和所述第二等效电容(cf2)的第一端接地，所述第一等效电阻(rsi1)的第二端连接所述第一等效电感(lsi1)的第一端，所述第一等效电感(lsi1)的第二端连接所述第三等效电容(cox1)的第二端，所述第三等效电感(ls)的第二端连接所述第三等效电阻(rs)的第一端，所述第三等效电阻(rs)的第二端连接所述第四等效电阻(rsk)的第一端和所述第四等效电感(lsk)的第一端，所述第四等效电阻(rsk)的第二端和所述第四等效电感(lsk)的第二端连接所述第二等效电阻(rsi2)的第一端和所述第二等效电容(cf2)的第二端，所述第二等效电阻(rsi2)的第二端连接所述第二等效电感(lsi2)的第一端，所述第二等效电感(lsi2)的第二端连接所述第四等效电容(cox2)的第二端。

本发明一个实施例还提供一种共面波导等效电路结构的参数提取方法，所述参数提取方法包括：

获取带地屏蔽层共面波导的结构；

根据所述带地屏蔽层共面波导的结构建立带地屏蔽层共面波导的三维模型；

根据所述三维模型得到所述带地屏蔽层共面波导的y参数；

基于矢量拟合法，根据所述y参数得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的传递函数；

根据所述传递函数得到原始等效电路中各元器件的数值；

基于所述原始等效电路中各元器件的数值，利用序列二次规划无源优化算法对所述原始等效电路中的零点和电路结构进行优化，以得到优化后的原始等效电路；

根据非理想效应对优化后的原始等效电路进行调整得到权利要求1所述的共面波导等效电路结构。

在本发明的一个实施例中，根据所述带地屏蔽层共面波导的结构建立带地屏蔽层共面波导的三维模型，包括：

根据所述带地屏蔽层共面波导的结构，利用hfss建立带地屏蔽层共面波导的三维模型。

在本发明的一个实施例中，根据所述三维模型得到所述带地屏蔽层共面波导的y参数，包括

基于hfss，根据所述三维模型得到所述带地屏蔽层共面波导的y参数。

在本发明的一个实施例中，所述y参数包括y11、y12、y21和y22，其中，y11为输出端口短路情况下的输入导纳，y12为输入端口短路情况下的反向传输导纳，y21为输出端口短路情况下的正向传输导纳，y22为输入端口短路情况下的输出导纳。

在本发明的一个实施例中，基于矢量拟合法，根据所述y参数得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的传递函数，包括：

根据y11和y12之和得到ya，将ya代入矢量拟合法得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第一传递函数；

根据y12的负值得到yb，将yb代入矢量拟合法得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第二传递函数；

根据y12和y22之和得到yc，将yc代入矢量拟合法得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第三传递函数。

在本发明的一个实施例中，所述传递函数的表达式为：

其中，ri为零点，pi为极点，h和e为实数，n是矢量拟合法中有理逼近阶数，s＝jw，j为虚数单位，w为希腊字母欧米伽的小写形式，表示角频率。

在本发明的一个实施例中，根据所述传递函数得到原始等效电路中各元器件的数值，包括：

根据所述第一传递函数、所述第二传递函数和所述第三传递函数中的零点ri、极点pi、实数h和实数e得到所述原始等效电路中各个电感、电阻及电容的数值，其中，

l为电感，r1为第一个电阻，c为电容，r2为第二个电阻，r1为第一个零点，r2为第二个零点，p1为第一个极点，p2为第二个极点。

在本发明的一个实施例中，基于所述原始等效电路中各元器件的数值，利用序列二次规划无源优化算法对所述原始等效电路中的零点和电路结构进行优化，以得到优化后的原始等效电路，包括：

基于所述原始等效电路中各元器件的数值，利用matlab中的fmincon函数使非线性优化的目标函数在满足约束条件的情况下，以使非线性优化的目标函数最小，且在非线性优化的目标函数最小时，得到优化后的零点；

在得到优化后的零点之后，将所述原始等效电路中不满足预设条件的元器件进行断路或者短路处理，以得到优化后的原始等效电路。

在本发明的一个实施例中，所述非线性优化的目标函数的形式为：

其中，m为频率点的数量，y(ωk)为通过矢量拟合法得到的第k个频率点的导纳参数，y^meas(ωk)为根据散射参数转换得到的第k个频率点的导纳参数；

所述约束条件包括：定义复数极点pc＝a+bi和复数零点rc＝c+di，且满足ac±bd≤0，复数极点pc对应的复数零点rc的实部大于0，实数h大于或者等于0，其中，a、c为实部，b、d为虚部，i为虚数单位。

本发明的有益效果：

1、本发明建立用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导等效电路结构，不仅保证了结果的准确性，同时包含的电路元件较少，有助于对用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导进行深入分析。

2、本发明提出的共面波导等效电路结构结合了电路知识，进行了严格无源优化，电路结构简化、稳定，并能够对用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导的设计进行一定的指导。

3、本发明提出的共面波导等效电路结构考虑了用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导在高频下的趋肤效应，并通过集总参数表示。

4、本发明提出的共面波导等效电路结构考虑了用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导衬底损耗，并通过集总参数表示。

5、本发明在提取用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导结构的参数时基于三维全波仿真软件hfss仿真结果，hfss仿真基于有限元法具有精度高等优点。

6、本发明提出的用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导结构及其参数提取方法在不同衬底、不同信号线尺寸、不同信号线与地线间距以及不同频段仍然具有适用性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种共面波导等效电路结构的电路示意图；

图2是本发明实施例提供的一种原始等效电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种共面波导等效电路结构的电路示意图。本实施例提供一种共面波导等效电路结构，该共面波导等效电路结构包括：第一等效电容cf1、第二等效电容cf2、第一等效电阻rsi1、第二等效电阻rsi2、第一等效电感lsi1、第二等效电感lsi2、第三等效电容cox1、第四等效电容cox2、第三等效电阻rs、第三等效电感ls、第四等效电阻rsk以及第四等效电感lsk，其中，第一等效电容cf1的第一端连接第一等效电阻rsi1的第一端和第三等效电感ls的第一端，第一等效电容cf1的第二端连接第三等效电容cox1的第一端、第四等效电容cox2的第一端和第二等效电容cf2的第一端，且一等效电容cf1的第二端、第三等效电容cox1的第一端、第四等效电容cox2的第一端和第二等效电容cf2的第一端接地，第一等效电阻rsi1的第二端连接第一等效电感lsi1的第一端，第一等效电感lsi1的第二端连接第三等效电容cox1的第二端，第三等效电感ls的第二端连接第三等效电阻rs的第一端，第三等效电阻rs的第二端连接第四等效电阻rsk的第一端和第四等效电感lsk的第一端，第四等效电阻rsk的第二端和第四等效电感lsk的第二端连接第二等效电阻rsi2的第一端和第二等效电容cf2的第二端，第二等效电阻rsi2的第二端连接第二等效电感lsi2的第一端，第二等效电感lsi2的第二端连接第四等效电容cox2的第二端。

在本实施例中，该共面波导等效电路结构为用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导(cpwg)的等效电路结构，该共面波导等效电路结构是在传统结构的基础上，考虑趋肤效应、衬底损耗效应等非理想效应确定的，其中，第一等效电容cf1和第二等效电容cf2为等效边缘电容，第一等效电阻rsi1和第二等效电阻rsi2为衬底损耗等效电阻，第一等效电感lsi1和第二等效电感lsi2为衬底损耗等效电感，第三等效电容cox1和第四等效电容cox2为氧化层等效电容，第三等效电阻rs为串联等效电阻，第三等效电感ls为串联等效电感，第四等效电阻rsk为趋肤等效电阻，第四等效电感lsk为趋肤等效电感。

在另一个实施例中，在确定用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导等效电路结构的基础上，通过矢量拟合法对参数进行提取，因此，共面波导等效电路结构的参数提取方法包括步骤1～步骤7，其中：

步骤1、获取带地屏蔽层共面波导的结构。

具体地，在本实施例中，带地屏蔽层共面波导(cpwg)属于无源器件，带地屏蔽层共面波导(cpwg)的基本结构是相同的，对于不同的带地屏蔽层共面波导仅是材料和尺寸的变化，因此为了后续能够仿真带地屏蔽层共面波导，带地屏蔽层共面波导的结构包括带地屏蔽层共面波导的组成、材料和尺寸。

步骤2、根据带地屏蔽层共面波导的结构建立带地屏蔽层共面波导的三维模型。

具体地，根据带地屏蔽层共面波导的结构，利用hfss(highfrequencystructuresimulator，高频结构仿真)建立带地屏蔽层共面波导的三维模型，其中，hfss属于全波仿真软件。

步骤3、根据三维模型得到带地屏蔽层共面波导的y参数。

具体地，基于hfss，根据三维模型得到带地屏蔽层共面波导的y参数。

也就是说，本实施例通过全波仿真软件hfss建立带地屏蔽层共面波导的三维模型之后，可以通过全波仿真软件hfss得到带地屏蔽层共面波导的y参数，其中，该y参数为导纳参数，该导纳参数可以通过s参数(即散射参数)转换得到，也可以在全波仿真软件hfss中直接导出得到。

步骤4、基于矢量拟合法，根据y参数得到带地屏蔽层共面波导的零极点形式的传递函数。

在本实施例中，带地屏蔽层共面波导的等效电路是一个二端口网络，因此有两个端口，即端口1和端口2，本实施例的y参数包括y11、y12、y21和y22，其中，y11为输出端口短路情况下的输入导纳，y12为输入端口短路情况下的反向传输导纳，y21为输出端口短路情况下的正向传输导纳，y22为输入端口短路情况下的输出导纳。

具体地，根据y11和y12之和得到ya，将ya代入矢量拟合法得到带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第一传递函数，其中，ya＝y11+y12。根据y12的负值得到yb，将yb代入矢量拟合法得到带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第二传递函数，yb＝-y12。根据y12和y22之和得到yc，将yc代入矢量拟合法得到所述带地屏蔽层共面波导的零极点形式的第三传递函数，其中，yc＝y12+y22。

在本实施例中，传递函数的表达式为：

其中，ri为零点，pi为极点，零点ri和极点pi或者同时为实数，或者同时为共轭复数对，h和e为实数，且在有理逼近中不是必须的，即均可为0，n是矢量拟合法中有理逼近阶数，s＝jw，j为虚数单位，w为希腊字母欧米伽的小写形式，表示角频率。

因此，将ya、yb、yc分别代入到矢量拟合法中，便可以对应得到三个用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导模型的零极点形式的传递函数h(s)，即第一传递函数、第二传递函数和第三传递函数，第一传递函数、第二传递函数和第三传递函数的表达式均为上式所示。

步骤5、根据传递函数得到原始等效电路中各元器件的数值。

具体地，根据第一传递函数、第二传递函数和第三传递函数中的零点ri、极点pi、实数h和实数e得到原始等效电路中各个电感、电阻及电容的数值。

请参见图2，在本实施例中，原始等效电路包括第五等效电阻ra1、第六等效电阻ra2、第七等效电阻rb1、第八等效电阻rb2、第九等效电阻rc1、第十等效电阻rc2、第五等效电容ca、第六等效电容cb、第七等效电容cc、第五等效电感la、第六等效电感lb和第七等效电感lc，其中，第六等效电阻ra2的第一端和第五等效电容ca的第一端接地，第六等效电阻ra2的第二端和第五等效电容ca的第二端连接第五等效电阻ra1的第一端，第五等效电阻ra1的第二端连接第五等效电感la的第一端，第五等效电感la的第二端连接第六等效电感lb的第一端，第六等效电感lb的第二端连接第七等效电阻rb1的第一端，第七等效电阻rb1的第二端连接第六等效电容cb的第一端和第八等效电阻rb2的第一端，第六等效电容cb的第二端和第八等效电阻rb2的第二端连接第七等效电感lc的第一端，第七等效电感lc的第二端连接第九等效电阻rc1的第一端，第九等效电阻rc1的第二端连接第十等效电阻rc2的第一端和第七等效电容cc的第一端，第十等效电阻rc2的第二端和第七等效电容cc的第二端接地。

也就是说，将第一传递函数的零点ri、极点pi、实数h和实数e代入至零极点系数与等效电路模型转换公式中，可以得到第五等效电阻ra1、第六等效电阻ra2、第五等效电容ca和第五等效电感la，将第二传递函数的零点ri、极点pi、实数h和实数e代入至零极点系数与等效电路模型转换公式中，可以得到第七等效电阻rb1、第八等效电阻rb2、第六等效电容cb和第八等效电阻rb2，将第三传递函数的零点ri、极点pi、实数h和实数e代入至零极点系数与等效电路模型转换公式中，可以得到第九等效电阻rc1、第十等效电阻rc2、第七等效电容cc和第七等效电感lc，零极点系数与等效电路模型转换公式为：

l为电感，r1为第一个电阻，c为电容，r2为第二个电阻，r1为第一个零点，r2为第二个零点，p1为第一个极点，p2为第二个极点，其中l用于计算第五等效电感la、第六等效电感lb和第七等效电感lc，r1用于计算第五等效电阻ra1、第七等效电阻rb1和第九等效电阻rc1，c用于计算第五等效电容ca、第六等效电容cb和第七等效电容cc，r2用于计算第六等效电阻ra2、第八等效电阻rb2和第十等效电阻rc2。

步骤6、基于所述原始等效电路中各元器件的数值，利用序列二次规划(sqp)无源优化算法对所述原始等效电路中的零点和电路结构进行优化，以得到优化后的原始等效电路。

具体地，通过步骤5可以计算出来的数值会有一些不合理的地方，比如电阻、电容是负数，它们是不符合物理意义的，这时候就需要这个序列二次规划(sqp)无源优化算法对零点进行优化，再对零点进行优化后的电路进一步改进，包括将过大或者过小的元器件进行断路或者短路处理，使得电路更加简化，从而得到优化后的原始等效电路。

在一个具体实施例中，步骤6可以包括步骤6.1～步骤6.2，其中：

步骤6.1、基于原始等效电路中各元器件的数值，利用matlab中的fmincon函数使非线性优化的目标函数在满足约束条件的情况下，以使非线性优化的目标函数最小，且在非线性优化的目标函数最小时，得到优化后的零点。

具体地，通过步骤5确定不符合物理意义的数值，之后通过matlab中的fmincon函数使非线性优化的目标函数在满足约束条件的情况下，通过不断的迭代使非线性优化的目标函数最小，当非线性优化的目标函数达到最小的时候，就得到优化后的零点。

其中，非线性优化的目标函数的形式为：

其中，m为频率点的数量，y(ωk)为通过矢量拟合法得到的第k个频率点的导纳参数，y^meas(ωk)为根据散射参数转换得到的第k个频率点的导纳参数，可以将测量或仿真得到的散射参数导入到ads软件，便可以得到对应的导纳参数。

在本实施例中，为了保证二端口网络稳定，所有极点均要位于复频域的左半平面，另外，为了保证二端口网络的严格无源(严格无源意味着电路稳定)，传输函数为正实有理函数，基于此，约束条件包括：定义复数极点pc＝a+bi和复数零点rc＝c+di，且满足ac±bd≤0，复数极点pc对应的复数零点rc的实部大于0，实数h大于或者等于0，其中，a、c为实部，b、d为虚部，i为虚数单位。

这一步优化的目的是为了使搭建的二端口网络是稳定的，存在负值的元件就意味着该电路中存在正反馈，这种电路时不稳定的，因此需要对其优化。

步骤6.2、在得到优化后的零点之后，将原始等效电路中不满足预设条件的元器件进行断路或者短路处理，以得到优化后的原始等效电路。

在本实施例中，预设条件为：电阻为0.1～100ω的两个及两个以上的数量级，电感为1～100ph的两个及两个以上的数量级，电容为1～100ff的两个及两个以上的数量级，则当电阻大于或小于0.1～100ω的两个及两个以上的数量级时、当电感大于或小于1～100ph的两个及两个以上的数量级时和/或当电容大于或小于1～100ff的两个及两个以上的数量级时，则为不满足预设条件，需要将对应的元器件进行断路或者短路处理，从而得到优化后的原始等效电路。

步骤7、根据非理想效应对优化后的原始等效电路进行调整得到上述实施例的共面波导等效电路结构。

具体地，可用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导存在有非理想效应，该非理想效应包括趋肤效应、衬底损耗效应，趋肤效应、衬底损耗效应会随着频率的升高而表现出来，为了充分考虑非理想效应的影响，本实施例对步骤6优化后的原始等效电路进行调整，从而得到了图1中的共面波导等效电路结构。

通过以上步骤，可以得到仅由正值元器件组成的符合实际物理意义的、简化的、可用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导等效电路结构及其参数。

1、本发明建立用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导等效电路结构，不仅保证了结果的准确性，同时包含的电路元件较少，有助于对用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导进行深入分析。

2、本发明提出的共面波导等效电路结构结合了电路知识，进行了严格无源优化，电路结构简化、稳定，并能够对用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导的设计进行一定的指导。

3、本发明提出的共面波导等效电路结构考虑了用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导在高频下的趋肤效应，并通过集总参数表示。

4、本发明提出的共面波导等效电路结构考虑了用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导衬底损耗，并通过集总参数表示。

5、本发明在提取用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导结构的参数时基于三维全波仿真软件hfss仿真结果，hfss仿真基于有限元法具有精度高等优点。

6、本发明提出的用于毫米波波段带地屏蔽层共面波导结构及其参数提取方法在不同衬底、不同信号线尺寸、不同信号线与地线间距以及不同频段仍然具有适用性。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。