毫米波接地共面波导建模方法研究

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随着科技的发展和社会的进步,毫米波集成电路在移动通信、深空探测和航空遥感等军民用领域得到了广泛的应用。作为毫米波电路设计中至关重要的一环,无源器件大量应用在阻抗匹配、功率分配以及滤波等方面,其在高频下的表现关系着整个电路的性能,因此,为了满足日益增长的技术需求,有必要对应用在毫米波波段的无源器件进行研究。同时,在毫米波集成电路设计中,由于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,需要建立高精度的器件模型。然而,目前无源器件对于电路设计存在两个方面的制约:第一,市面上成熟的芯片工艺库中的无源器件模型应用频段有限,大多都在25 GHz以下,为了满足实际的设计需求,往往需要设计人员设计新结构并建模;第二,建模的效率较低,为了得到一个高精度模型,通常需要花费大量时间进行调参优化,而调参过程多是繁琐且盲目的。因此,有必要研究无源器件的建模方法,在保证模型精度的同时提升建模效率。在众多无源器件中,共面波导(CPW)凭借其具有高传输率、低损耗和宽阻抗变化范围等优点,不仅可以作为低损耗互连线使用,还可以在匹配电路中代替电感以提高精度和减少面积,成为了毫米波集成电路设计中广泛使用的器件。相较于共面波导,接地共面波导(GCPW)由于地屏蔽层的存在,其单位长度电阻量与电感量更小,更有利于精确地满足实际设计指标。因此,本文主要针对应用于毫米波频段的接地共面波导建模方法展开研究,主要研究内容如下:1、研究基于矢量拟合法的毫米波接地共面波导建模方法。本文首先基于现有工艺,设计了相应的接地共面波导器件版图及测试结构进行流片,然后根据实测数据,采用矢量拟合法建立了原始等效电路模型并进行分析。针对模型在高频下S参数拟合精度较差的问题,提出了考虑趋肤效应、衬底损耗等非理想效应改进原始等效电路模型,并利用电路知识对模型进行了简化处理。针对改进的等效电路模型,提出了一套详细的建模方法,并给出了相应的等效电路结构。结果表明,改进后的等效电路模型能够改善高频下S参数的拟合精度,并且由于模型具有一定的物理意义,因此在调参优化时有明确的调整方向,从而提升了建模效率。2、研究基于神经网络的毫米波接地共面波导建模方法。本文首先对神经网络理论知识展开研究,选取了反向传播(BP)神经网络作为基本模型。通过不断调整神经元个数、权重以及隐含层数量,建立了尺寸可缩放的神经网络模型。针对神经网络训练平台与电磁仿真平台数据格式不兼容的问题,提出了提高数据传输效率的办法,简化了跨平台联合仿真繁琐的数据处理过程。最后,为了进一步减少训练数据获取时间,对训练数据量与泛化精度的关系展开研究,提出了分段采样的建模思想。结果表明,本文建立的毫米波接地共面波导神经网络模型具有良好的尺寸可缩放性,且可以快速地在不同平台间进行数据传输,并在保持精度的前提下减少了训练数据量,提升了建模效率。
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