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Fortschritte bei der Modellierung von koplanaren Wellenleitungen

Kategorien:
  • Metrologie für die Wirtschaft
01.03.2021

Die PTB hat in Zusammenarbeit mit dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (Berlin) ein erweitertes analytisches CPW-Modell entwickelt, das eine verbesserte Beschreibung der Strahlungsverluste bei sehr hohen Frequenzen ermöglicht. Die Genauigkeit des neuen Modells wurde durch elektromagnetische 3D-Simulationen validiert und mit Messungen bis 220 GHz überprüft.

 

 

 

Planare Wellenleiter sind heutzutage zentrale Bauteile in fast allen integrierten Schaltungen, die in verschiedenen Anwendungsfeldern wie der drahtlosen Kommunikation (z.B. in 5G Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Systemen), in Kfz-Radarsystemen für autonome Fahrzeuge bis hin zur medizinischen Sensorik eingesetzt werden. Die gebräuchlichsten Typen sind koplanare Wellenleiter (CPW) und Microstrip-Leitungen, wobei beide spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Bei den koplanaren Wellenleitern liegen alle Leiter in einer Metallisierungsebene, was im Vergleich zu Microstrip-Leitungen eine einfachere technologische Realisierung erlaubt.


Präzise Modelle planarer Wellenleiter sind ein unverzichtbares Werkzeug für den Entwurf integrierter Schaltungen. Während bei niedrigen Frequenzen eine Vielzahl von Modellen zur Verfügung stehen, stoßen diese mit zunehmender Frequenz an ihre Grenzen, wenn Strahlungs- und Dispersionseffekte sowie die Oberflächenrauheit die Übertragungseigenschaften in erheblichem Maße beeinflussen.


Der neue Ansatz basiert auf einem konventionellen analytischen CPW-Modell mit dem Zusatz einer geschlossenen formalen Beschreibung, um Strahlungseffekte genauer als bisher möglich vorherzusagen. Zur Evaluierung wurde das neue Modell mit dem konventionellen analytischen Modell sowie zusätzlich mit einem quasi-analytischen CPW-Mehrlagenmodell und elektromagnetischen 3D-Simulationen verglichen. Die Vergleichsergebnisse zeigen, dass das verbesserte CPW-Modell auf verschiedenen Substratmaterialien mit den 3D-Simulationen bis 300 GHz übereinstimmt (siehe Bild). In Messungen bis 220 GHz wurde ebenfalls hervorragende Übereinstimmung gefunden.


Dies bedeutet, dass zum ersten Mal eine umfassende und effiziente CPW-Beschreibung in höheren Frequenzbereichen bis zum G-Band (140 GHz bis 220 GHz) und darüber hinaus verfügbar ist. Das verbesserte CPW-Modell kann während des Entwurfszyklus von hybriden integrierten Schaltungen (ICs), monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMICs) und Leiterplatten (PCBs) verwendet werden. Außerdem kann die verbesserte Genauigkeit des verbesserten CPW-Modells dazu beitragen, die Unsicherheiten bei On-Wafer-Messungen von koplanaren Bauteilen zu reduzieren.

 

CPW-Dämpfungsverhalten aus der verbesserten analytischen Modellierung im Vergleich einer 3D-EM-Simulation sowie konventioneller und quasi-analytischer Modellierung

Bild: Ergebnis des CPW-Dämpfungsverhaltens aus der verbesserten analytischen Modellierung im Vergleich zu Ergebnissen aus einer 3D-EM-Simulation sowie konventioneller und quasi-analytischer Modellierung.

 

 

Veröffentlichung:
G. N. Phung, U. Arz, K. Kuhlmann, R. Doerner und W. Heinrich, “Improved Modeling of Radiation Effects in Coplanar Waveguides with Finite Ground Width”, 2020 50th European Microwave Conference (EuMC), Utrecht, Netherlands, 2021, pp. 404-407

 

 

 

 

Fachbereich 2.2 „Hochfrequenz und Felder“

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