[发明专利]基于共面波导传输线的介电常数提取方法及终端设备

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料物理特性测量技术领域，尤其涉及基于共面波导传输线的介电常数提取方法及终端设备。

背景技术

固态微波功率器件是指工作于微波毫米波频率范围的GaAs、GaN、InP等器件，相比于行波管器件具有体积小、功耗低、效率高、噪声低等优点，从诞生一开始既广泛应用于军事领域。固态微波功率器件在设计时通常需要输入衬底材料(半导体)的介电常数和损耗角正切等参数用于电路仿真，例如，对于GaAs器件，通常输入有效介电常数为常量12.8或12.9。但由于实际衬底的介电常数是一个频率变化量，因此，采用一个固定量往往是不合适的。现阶段用于衬底材料介电常数测试的方法是腔体法。腔体法根据需要测试的待测样片的频率，设计相应的材料的三维尺寸，同时设计对应的测试夹具。将待测样片放置于测试夹具中，根据谐振腔体原理，由矢网测得待测样品的S参数中找到相应的谐振频率和倍频频率。经过一定的计算公式得到。但不足之处是一是测试频率不高，二是测量频带有限。对某一频点的测量，需要定制测试夹具和待测件的腔体三维尺寸，测试频率改变时相应的测试夹具和腔体尺寸也需要更改，无法进行大范围的扫频测量。而当前固态器件发展的方向就是中大功率的GaN以及毫米波频段的InP，必须要考虑精确提取频变介电常数以优化设计，提高仿真精度。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了基于共面波导传输线的介电常数提取方法及终端设备，以解决现有技术中无法进行较大范围的扫频测量的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种基于共面波导传输线的介电常数提取方法，可解决毫米波甚至THz频段的介电常数测量问题，包括：

以一定的体积形状的待测样品作为衬底，在上面设计多根、冗余的传输线作为在片矢量网络分析仪的TRL校准标准，该校准标准覆盖待测样品介电常数频率范围，并对TRL校准过程中的误差进行分析，建立用于求解传播常数的误差分析模型；

利用多根、冗余的传输线作为标准覆盖每一个频点，根据有效相移规则选取公共线，并将公共线与其它每个传输线组成线对，每组线对之间形成独立测量，并根据所述误差分析模型得到多组传播常数的观测值；

根据多组传播常数的观测值，采用统计方法得到传播常数的最佳估计值，通过采用quasi-TEM模型得出传输线的单位长度电阻R和单位长度电感L，并根据传播常数定义确定传输线的单位长度电容C和单位长度电导G；

根据传输线的单位长度电阻R、单位长度电感L、单位长度电容C和单位长度电导G，得出传输线的衬底介电常数。

可选的，所述对TRL校准过程中的误差进行分析，建立用于求解传播常数的误差分析模型的过程为：

矢网测量的第i个校准件的级联传输矩阵Mⁱ为

其中，Tⁱ为校准件i的实际传输矩阵，X、Y为待求的误差网络传输矩阵，即校准常数；表示将信号传输方向与Y的信号传输方向反向；

在理想情况下，第i条传输线标准的传输矩阵Tⁱ为

式中，γ是传播常数，l_i为第i个传输线标准的长度；

考虑到探针与校准件接触重复性等随机误差，对Tⁱ修正为：

其中，δ¹ⁱ为端口1不理想引起的随机误差，δ²ⁱ为端口2不理想引起的随机误差，且δ¹ⁱ，δ²ⁱ中的元素值远小于1；

给定任意两个传输线标准的测量结果，根据公式(1)可得：

M^ijX＝XT^ij (8)

其中，

M^ij≡M^j(Mⁱ)^-1 (9)

T^ij≡T^j(Tⁱ)^-1 (10)

若随机误差δ¹ⁱ、δ²ⁱ不存在，则T^ij简化为L^ij：

由于随机误差的存在，T^ij不再是对角矩阵，M^ij的特征值和特征向量也无法直接求解传播常数，假定V^ij,Λ^ij分别为T^ij的特征向量和特征值，则