基板效应对微波被动元件之宽频模型化的影响A.pdf

基板效應對微波被動元件之寬頻模型化的影響 A Broadband Model for Microwave passive Components Incorporating Substrate Effects 蔡友遜 正修科技大學電子系副教授 一、前言 使用電腦輔助設計軟體執行電路、模組、甚至系統的各項功能特性的模擬設 計，已成為研發通信新產品不可或缺的程 序。在電腦輔助設計軟體中，電路系統 的各種元件是由各式模型所組成，因此模 型的準確度及可應用頻寬，將影響模擬 結果之優劣成敗，可見準確寬頻的模型對研發設計的重要性。先前研究曾提出一 兼具準確性、寬頻、且能廣泛應用於不同的元件本質與製作條件的模型－擴充式 PI型等效電路如圖一所示。模型的等效電路架構採用附加多層諧振器之單級 PI型 等效電路，模擬元件本身的特性及操作時預期將遭遇到的各種干擾現象，並以 LTCC帶通濾波器及 CMOS 製程之螺旋電感器等實驗例驗證。然而 Ymeri et. al.的 實驗發現 [1] ，製作在低電阻係數的矽基板的互連線，電感值受頻率改變的影響會 呈現明顯的變動，表示互連線金屬傳導電流時，已受集膚效應 (skin effect)的影響。 對於微波被動元件製作在不同的製程或基板特性，操作時產生的各種干擾效應， 擴充式 PI型等效電路的模型化能力是本研究主題。 對螺旋電感器而言，影響電感器特性的干擾效應有集膚效應、近接效應 (proximity effect) 、侵入基板的電場所形成的電容性耦合效應、侵入基板的磁場所 形成的電感性耦合效應、非零電阻係數之金屬線引起的能量損耗之電容性分佈效 應 [2]-[4] 。針對特定的高頻電磁效應及損耗，而有許多模型化方法被提出，常用的 作法是在 型等效電路的三個支臂，使用各式的電阻、電感、電容 (RLC)組合電路 [5]-[7] ，或使用2 級等效電路[8] ，或多級等效電路[9] ，以模擬高頻電磁效應的行 為特性，進而改善模型的準確性。這些模型針對特定結構、材料或製程種類的元 件而有良好的模型化準確性，但是對其他 製程種類製作的元件未必適用。另有採 用電磁分析的數值方法 [10]-[11] ，其優點是準確度高，但程序執行時間甚久，且耗 用龐大的計算機系統資源，輸出模型具有頻率相依性，難以整合入 SPICE模擬器。 故發展一種通用型之等效電路模型有其必要性。 本研究主要探討不同的基板特性，是否影響之前提出的擴充式 PI型等效電路 之模型化準確性。在本研究中，以另外 3 種基板製作的螺旋電感器為例，檢驗擴 充式 PI 型等效電路之模型化能力， 3種基板分別為有機薄片基板、 PHEMT 以及 BiCMOS 製程，其中 BiCMOS 製程有低電阻係數基板實驗例，以及高電感量實驗 例，以驗證擴充式 PI型等效電路模型化方法的準確性及廣泛應用性。   Y p Z g Z c Y p Y Y o1 o2 Z g 圖一 擴充式 PI型等效電路及使用的多層諧振器 二、擴充式 PI型等