科技新星－李越－201949

20230130

信息传输、软件和信息技术服务业

课题组实现并验证了基于印刷电路板（PCB）工艺实现的介质集成波导等效媒质电路。具体工艺流程如下： 利用PCB工艺实现介质集成波导；在介质集成波导中切去对应尺寸的介质空腔；在空腔中填满所需要的不同介质，可选择的材料包括Emerson & Cuming， ECCOSTOCK HiK Powder以及陶瓷材料，介电常数可以在较大范围内选择；重新封闭介质集成波导，保持介质集成波导的结构完整性，成功满足了波导等效媒质电路中的需求，并在多种电路设计中得到验证。 另一方面，课题组成功利用柔性介质材料聚二甲基硅氧烷（PDMS），实现了柔性波导等效媒质电路。具体工艺流程如下： 聚二甲基硅氧烷基板的制造：在聚甲基丙烯酸甲酯形成的模具中混合固化剂和聚二甲基硅氧烷预聚物，经过静置、脱气、固化后形成聚二甲基硅氧烷基板；印刷金属铜层：使用去离子水冲洗聚二甲基硅氧烷基板表面以降低表面粗糙度，然后使用光刻胶旋转涂敷在基板上，后印刷两层钛层夹在铜层和基本之间以缓冲应力；钻刻金属通孔，完成介质集成波导等效媒质电路，为波导等效媒质电路在柔性电子器件中的应用开拓了新的方向。 申请人所在课题组先前针对波导等效媒质电路开展了相关理论研究和概念验证，已具备的研究基础如下： （1）本课题组首次提出波导等效媒质电路的概念，可以利用波导的结构色散特性模拟天然材料本身的色散特性，具有模式稳定、低损耗、易于分析的优势，基于此概念提出波导集成集总元件及电路的理论实现方式，为本项目的研究奠定了理论基础。 （2）本课题组基于波导等效媒质概念，将低频段的电桥、检流计等借助等效媒质的设计思想在光学频段实现，提出基于光学集总元件的光学惠斯通电桥，表明波导等效媒质概念在光学频段集总电路中由应用潜力。 （3）本课题组基于波导等效媒质电路的集总电路设计方案，将光学滤波器缩小至亚波长尺度，并利用光学集总元件，将经典低频滤波电路的设计方法移植至光学频段，增加了光学滤波器设计的灵活性。 （4）本课题组基于波导等效媒质电路的概念，设计了一种亚波长尺度电感，相比于现有电感，其具有可工作频率高、易于波导集成设计、结构简单、品质因子高、损耗超低的优势。 （5）本课题组在波导等效媒质电路的基础之上，提出介质集成阻抗表面加载的可重构波导等效媒质电路的概念，可对波导截止频率和色散进行任意调控，实现可重构波导电路。

本项目的成果属于基础研究和前沿探索，不适合直接转化。这里介绍本项目相关的两个专利情况。 专利一：本发明提供了一种基于腔体局域场增强效应的高灵敏度磁导率传感器。该磁场传感器结构包括金属谐振腔、加载电容的宏观掺杂体、输入输出波导、载待测物质的微流管道。工作时，宏观掺杂结构与背景腔体发生强谐振，掺杂结构内部的磁场显著增强，从而微流道内微小的磁导率变化都会引起系统磁场储能的明显变化，导致系统输出响应的变化。我们通过测试频谱上透射峰移动的频率，或者在固定频点上观测传感器透射率的改变，即可得到磁导率的变化。整个传感器的尺寸和工作波长可比拟，有体积小的特点。而整体设计中采用的波导腔体结构，可以工作在微波、毫米波等高频段，且具有低串扰、易于封装集成的优势，为高效的微流控磁导率传感芯片提供了可靠平台。 专利二：本发明涉及传输线集成集总元件，该集总元件是通过将传输线内的部分背景介质替换为具有不同于传输线背景介质介电常数的亚波长介质条实现。当介质条的介电常数大于传输线内背景介质的介电常数时，该介质条表现为集总电容的特性；当介质条的介电常数小于传输线内背景介质的介电常数时，该介质条表现为集总电感的特性。相应地，本发明还提供了传输线，传输线内的部分背景媒质被具有均匀介电常数的介质条替代，所述介质条的介电常数与传输线内背景媒质的介电常数不同，从而呈现出集总电容或集总电感的特性。该类集总元件适用的传输线类型包括金属波导、介质波导、同轴线、介质集成同轴线、带线、微带线等。相比于传统集总元件，本发明传输线集成集总元件更易于与多种不同类型的传输线进行集成设计，只需要替换原有传输线内的部分背景介质即可实现电容、电感的效果，设计方法简单；介质条为亚波长尺寸，具备传统集总元件尺寸小的优点；元件的电容值和电感值可以通过给出的解析公式进行准确计算；相比于传统集总元件，本发明的工作频段更宽，适用于微波到光学的任意频段；将传统集总电路理论引入到传输线集成集总电路设计中，为实现集成度高、结构紧凑的集总电路开辟了新的途径。基于该发明，可以构造具有不同功能的集总电路、器件或设备。

可国（境）内外转让

本项目提出新型集成电路形式，即“波导等效媒质电路”，对其基础特性（如带宽、损耗等）和工程应用（如相移电路、滤波电路、匹配电路等功能集成电路）进行探索，既涵盖基础理论探究，又涵盖工程实践。本项目相关研究成果的研究意义及应用前景如下： （1）面向5G芯片应用的毫米波集成电路：本项目研究的波导等效媒质电路与传统微带集成电路相比，具有低损耗、低串扰等性能优势，可应用于5G毫米波芯片中，基于波导结构实现集成电路的互联，最终实现射频前端电路的一体化集成。 （2）未来6G预言的太赫兹集成电路：当前，科学家预言6G的关键技术在太赫兹频段，对于波导等效媒质电路，其工作频率可达150THz，与现有太赫兹频段电路相比，具有集成度高、损耗低的优点，未来有望在6G芯片的集成电路体系中发挥作用。 （3）潜在学术价值：本项目的相关结论及成果以论文、会议报告等形式呈现，包括SCI期刊论文10篇（其中2篇Nature子刊），应邀参加学术报告8次，获得了国内外同行的认可，为低损耗、低串扰的5G、6G集成电路领域的相关研究者提供了新的设计思路和方法，具有极高的学术价值。 （4）潜在应用价值：本项目实现了三种波导等效媒质电路的结构设计和性能验证，均达到了预期性能指标要求，并获得国家发明专利两项，表明该工作具有极高的应用价值和推广潜力。

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

集成电路正在按照高频段、高速率、大规模、低损耗的趋势发展，但是传统的电路形式（如微带线等）到高频波段辐射损耗加剧，性能恶化。本项目提出一种变革性的新型电路，即波导等效媒质电路，一种基于波导色散特性的高频等效集总电路。该电路的封闭结构有利于约束电磁场，显著减少路和路之间的串扰，具有低损耗的优势。其设计方法基于波导等效媒质的新概念（该概念由申请人首次提出，相关理论研究已发表于Science、Science Advances等国际顶级杂志），可应用于不同类型毫米波电路与器件设计，及其片上集成。本项目拟研究波导等效媒质电路的基本特性及面向集成电路领域应用的关键技术，通过实际芯片器件和电路实现低损耗毫米波集成电路的设计，推动国内5G芯片产业的发展。具体包括： （1）波导等效媒质电路的可实现特性研究：对于“波导等效媒质电路”的研究仍然处于起步阶段，面临着诸多亟需解决的科学问题，因此本研究将从工作带宽、频率上限、损耗机制这三个方面对波导等效媒质电路的可实现特性开展深入研究，为其在集成电路领域的应用奠定基础。 （2）波导等效媒质电路在集成电路领域的应用：在完善波导等效媒质的理论研究的基础上，我们将探索其在实际电路应用的可行性，设计基于波导等效媒质电路的高频低损耗相移电路、滤波网络电路和匹配电路样机，为低损耗的一体化波导集成系统奠定基础。