微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的工藝健壯性分析

黃振華，高　楊，蔡　洵

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；4.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

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微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的工藝健壯性分析

黃振華1，2，高楊2，3，蔡洵1，4

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；
3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；4.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

摘要：為確保微帶六端口網(wǎng)絡(luò)能替代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于體聲波傳感器的射頻輸出信號(hào)檢測，分別從微帶金屬導(dǎo)線的寬度誤差和厚度誤差對微帶六端口網(wǎng)絡(luò)工作頻段的影響進(jìn)行分析。采用ADS軟件的射頻等效電路仿真分析得出：微帶金屬導(dǎo)線的寬度對六端口網(wǎng)絡(luò)的工作帶寬影響較大，金屬導(dǎo)體厚度對工作帶寬的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)；由于體聲波傳感器的讀出電路對工作帶寬的要求不高，微帶六端口網(wǎng)絡(luò)用于體聲波傳感器讀出電路有良好的工藝健壯性。

關(guān)鍵詞：六端口網(wǎng)絡(luò)；工藝健壯性；體聲波傳感器；讀出電路；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

0　引言

六端口網(wǎng)絡(luò)（six-port network）由無源耦合結(jié)構(gòu)加上微波二極管功率檢波器組成[1-2]，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，而且能利用合適的校準(zhǔn)程序消除由硬件所帶來的測量誤差。由于六端口技術(shù)能有效測量被測微波信號(hào)的功率、頻率及相位；因此，它帶來了一系列的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如復(fù)阻抗和相位的低成本測量、接收機(jī)和汽車船舶的測距雷達(dá)等[3-5]。文獻(xiàn)[6]中提出了基于六端口反射計(jì)（six-port reflectometer）構(gòu)建體聲波（bulk acoustic wave，BAW）傳感器讀出電路的設(shè)想，結(jié)合文獻(xiàn)[7]報(bào)道的BAW加速度計(jì)表頭設(shè)計(jì)案例，給出了滿足其射頻信號(hào)檢測要求的六端口網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)，初步驗(yàn)證了該設(shè)想的可行性，但并未考慮到微帶六端口制作過程中的工藝誤差對六端口網(wǎng)絡(luò)性能的影響。為了了解微帶六端口制作工藝誤差是否會(huì)對其性能帶來影響，本文針對文獻(xiàn)[6]中的六端口網(wǎng)絡(luò)的工藝誤差進(jìn)行了仿真分析。

圖1　六端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

1　原理

六端口反射計(jì)是一種干涉測量裝置，其工作原理的基礎(chǔ)是六端口網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示的六端口網(wǎng)絡(luò)中，端口1接信號(hào)發(fā)生器，端口2接DUT，對于BAW傳感器即為薄膜體聲波諧振器（thin-film bulk acoustic resonator，F(xiàn)BAR）；其余4個(gè)端口分別接4個(gè)功率檢波器，其功率讀數(shù)分別記為P3、P4、P5和P6。圖中還標(biāo)記了6個(gè)端口上的入射（ak，k=1，2，…，6）及反射（bk，k=1，2，…，6）的歸一化電壓。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是線性的，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論可以得出六端口反射計(jì)的S參數(shù)矩陣：

假定功率計(jì)Pk的復(fù)反射系數(shù)為Γk，有：

化簡得到功率計(jì)Pk的功率讀數(shù)：

式（3）是復(fù)平面上4個(gè)圓的方程，含有過多重復(fù)的待定常數(shù)（Mk及qk），且圓的半徑與|b|2有關(guān)，不能直接處理。因此，選取端口4作為參考端口，利用P4對P3、P5、P6歸一化，得到3個(gè)獨(dú)立的方程：

式（4）是復(fù)平面上復(fù)反射系數(shù)的3個(gè)圓，也即復(fù)反射系數(shù)必在3個(gè)圓的圓周上。因此，這3個(gè)圓必交于一點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)對應(yīng)于復(fù)反射系數(shù)，如圖2所示。

通過以上六端口反射計(jì)的基本原理可以得到FBAR的Γ-f曲線并求解出FBAR的串、并聯(lián)諧振頻率，進(jìn)而得到FBAR的諧振頻率偏移量，最終獲得BAW傳感器感測到的待測物理量。文獻(xiàn)[6]針對工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計(jì)表頭設(shè)計(jì)了所需的讀出電路。然后，根據(jù)六端口電路自身要求[1]，得知在工作頻率范圍2.690～2.710 GHz內(nèi)：|Sk1|＜10dB，k=2，3，4，5，6；|Sk2|＜10 dB，k=3，5，6；|S42|＞20dB，其中Sij是六端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)。

2　工藝誤差分析

如圖3所示的微帶六端口網(wǎng)絡(luò)[8]是本文工藝誤差影響分析的對象。微帶線的工藝誤差包括微帶金屬導(dǎo)線的寬度誤差和厚度誤差，因此以下將從這兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

圖2　復(fù)平面上關(guān)于Γ的相交圓

利用射頻仿真軟件（advanced design system，ADS）對圖3（a）的微帶線六端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效電路仿真。圖4為該六端口網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果。圖4（a）為理想工藝下，端口1到端口1，2，3，4，5，6的S參數(shù)曲線；圖4（b）為理想工藝下，端口2到端口2，3，4，5，6 的S參數(shù)曲線。

理想工藝下S參數(shù)曲線的部分仿真結(jié)果如表1所示。由表可知，在2.641～2.740 GHz頻段內(nèi)，端口1到端口2，3，…，6的傳輸性能滿足六端口網(wǎng)絡(luò)的要求（即有|S21|＜10 dB、|S31|＜10 dB、|S41|＜10 dB、|S51|＜10dB和|S61|＜10dB）；端口2到端口3、5和6的傳輸性能，以及到端口4的隔離性能，也滿足六端口網(wǎng)絡(luò)的要求（即有|S32|＜10dB、|S52|＜10dB、|S62|＜10dB和|S42|＞20dB）。由圖4中可知，在2.641～2.740 GHz頻段內(nèi)S參數(shù)曲線大致具有連續(xù)性和遞增或遞減性，只需頻段的上下限滿足六端口網(wǎng)絡(luò)要求，其頻段內(nèi)的點(diǎn)也必然滿足要求，故在表1中只列出了上下限兩點(diǎn)的S參數(shù)取值，下文同理。

圖3　微帶六端口網(wǎng)絡(luò)

圖4　理想條件下六端口網(wǎng)絡(luò)仿真的S參數(shù)曲線

當(dāng)制作工藝存在誤差且導(dǎo)致金屬導(dǎo)體線寬整體增加50 μm時(shí)，部分重要的S參數(shù)曲線仿真結(jié)果如表2所示。此時(shí)，六端口網(wǎng)絡(luò)的工作頻率范圍為2.645～2.724 GHz。

當(dāng)制作工藝存在誤差且導(dǎo)致金屬導(dǎo)體線寬整體減小50 μm時(shí)，部分重要的S參數(shù)曲線的仿真結(jié)果如表3所示。此時(shí)，六端口網(wǎng)絡(luò)的工作頻率范圍為2.634～2.753 GHz。

當(dāng)制作工藝存在誤差且導(dǎo)致金屬導(dǎo)體厚度整體增加5μm時(shí)，部分重要的S參數(shù)曲線的仿真結(jié)果如表4所示。此時(shí)，六端口網(wǎng)絡(luò)的工作頻率范圍為2.644～2.742 GHz。

當(dāng)制作工藝存在誤差且導(dǎo)致金屬導(dǎo)體厚度整體減小5μm時(shí)，部分重要的S參數(shù)曲線的仿真結(jié)果如表5所示。此時(shí)，六端口網(wǎng)絡(luò)的工作頻率范圍為2.639～2.739 GHz。

綜上所述，金屬導(dǎo)線寬度增大與減小50μm對工作頻率范圍的影響較大，且導(dǎo)線寬度增大則工作頻率范圍減小，導(dǎo)線寬度減小則工作頻率范圍增大，但仍滿足如圖3所示的微帶六端口網(wǎng)絡(luò)工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計(jì)表頭讀出電路的要求；金屬導(dǎo)體厚度在工藝誤差為5μm時(shí)對工作頻率范圍的影響很小，可以忽略不計(jì)。

表1　理想條件下的仿真結(jié)果dB

表2　金屬導(dǎo)線寬度增加50μm的仿真結(jié)果　dB

表3　金屬導(dǎo)線寬度減小50μm的仿真結(jié)果　dB

表4　金屬導(dǎo)體厚度增加5μm的仿真結(jié)果　dB

表5　金屬導(dǎo)體厚度減小5μm的仿真結(jié)果　dB

3　結(jié)束語

針對基于微帶六端口反射計(jì)的體聲波傳感器讀出電路進(jìn)行了工藝誤差影響分析，包括金屬導(dǎo)線寬度誤差和厚度誤差兩方面：金屬導(dǎo)線寬度增大與減小50 μm對工作頻率范圍的影響較大，且隨導(dǎo)線寬度增大工作頻率范圍減小，導(dǎo)線寬度減小工作頻率范圍增大，但仍滿足文獻(xiàn)[7]中工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計(jì)表頭讀出電路的要求；金屬導(dǎo)體厚度在工藝誤差為5μm時(shí)對工作頻率范圍的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。本文采用ADS的射頻等效電路仿真分析結(jié)果表明，由于體聲波傳感器的讀出電路對工作帶寬的要求并不高，微帶六端口網(wǎng)絡(luò)用于體聲波傳感器讀出電路有極好的工藝健壯性。

參考文獻(xiàn)

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（編輯：李剛）

Process robustness analysis on microstrip six-port network

HUANG Zhenhua1，2，GAO Yang2，3，CAI Xun1，4
（1. School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2. Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；3. National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To ensure that the microstrip six-port network is substituted for the vector network analyzer in detecting RF output signals from bulk acoustic wave sensors，the authors have analyzed the effect of the width error and the thickness error of a microstrip metal wire on the operating bandwidth of the microstrip six-port network. ADS software was used to analyze the S parameters of the network equivalent circuit. The results show that the width of the microstrip metal wire has a great influence on the operating bandwidth of the network while the influence of the thickness is very small and can almost be neglected. As the read-out circuit of the bulk acoustic wave sensor does not require much of the operating bandwidth，the microstrip six-port network can be used for the read-out circuit of the sensor because of its high process robustness.

Keywords:six-port network；process robustness；bulk acoustic wave sensor；read-out circuit；vector network analyzer

通訊作者：高楊（1972-），男，四川綿陽市人，研究員，博士，主要從事微電子機(jī)械系統(tǒng)研究。

作者簡介：黃振華（1989-），男，湖南婁底市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樯漕l微電子機(jī)械系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61574131）；中國工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（2014ZA001）；西南科技大學(xué)特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（14zxtk01）；重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者基金（2013MS04）；中國工程物理研究院電子工程研究所創(chuàng)新基金（S20141203）；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（15YCX122，15YCX123，15YCX125）

收稿日期：2015-07-30；收到修改稿日期：2015-09-09

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.005

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0024-04