1 微系统简介

广义上，微系统（Microsystems）是指利用高集成度、小型化、高稳定性的工艺与技术，将各种器件、模块集成在一个封装内，实现一个或多个功能的系统。早期的立体式电子系统中，各个不同模块互相分离，数字、模拟以及射频等不同模块都是独立讨论的。随着发展，人们对电子系统的体积、重量、功能以及稳定性的需求越来越高，传统的相互分离的系统形式不再适用，这就需要研究新的具备小型化、高集成特点的电路与系统。微系统的概念即被提出以应对该发展趋势。在微系统中，随着各个模块物理距离急剧减小，包括热、电、力在内的各物理量的相互作用急剧增强。这就需要对微系统的设计方法以及可以应用在微系统中的器件、电路以及模块进行研究。

总的来说，微系统的目的就是把研究重点向系统层级上转移，实现芯片与系统的协同发展，并提供系统层面的设计方法与思路。最终在新的系统算法框架下，实现小型化、高集成的进一步飞跃。微系统能够有效应对现代电子设备小型化、轻量化、高性能、高稳定性、低成本的需求，实现宽带/超宽带、大动态范围、高灵敏度、高线性度的发展趋势，是当代电子领域研究的前沿与热点。

随着目前用户对无线功能（通信、遥感等）需求的增加，微波系统已经成为电子系统的关键组成部分。特别在微系统中，微波/射频部分（射频微系统）更是其研究重点。需要注意的是，下文中都仅对射频微系统展开讨论。但无论是包含整个系统功能的微系统还是其子部分射频微系统，它们所使用的工艺、设计方法及研究思路都是类似的，因此，对射频微系统的讨论在微系统研究中也有很强的参考意义。从二十世纪六十年代开始，随着半导体行业的出现与发展，电子系统在小型化与集成化上出现了巨大的飞跃。微波系统也跟随半导体工业的发展，从第一代微波电路发展到混合集成电路（Hybrid Microwave Integrate Circuit，HMIC）。而后得益于封装技术的发展，多芯片组件（Multiple Chips Module, MCM），如低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic , LTCC）的出现，微波电路在体积和性能上得到了进一步的提升。同时，CMOS工艺与Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺的成熟促使了多功能芯片的出现。包括MEMS器件在内的新型工艺与方法在这一阶段也逐步兴起，形成了第三代微波电路。

为进一步利用芯片微型化特点，片上系统（System on Chip，SOC）应运而生。其设计的核心理念就是尽可能地要把整个电子系统集成在一个芯片中，得到一种具有高集成、固件化特点的集成系统。在应用SOC设计系统时，其尽可能地将整个系统的电路部分集成在一起。近几年，为了进一步利用不同半导体在功率、噪声以及成本等方面的优势，异质集成成为了新的研究热点。另一方面，由于物理尺寸达到极限，半导体的发展无法保证摩尔定理，半导体工艺迎来了物理瓶颈，发展逐步放缓。在这样的背景下，SIP（System in Package）及SOP（System on Package）先后被提出以应对该发展瓶颈。它们共同的特点是利用纵向维度将不同功能的器件集成在一起，实现3D封装。SIP是由ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）主导的，其出发点是扩展芯片的功能，以芯片堆叠的方式实现纵向空间的利用。SOP 最先由佐治亚理工大学的Tummala教授提出，意在将无源器件与有源器件一起集成，更强调系统集成。

射频微系统是将SIP、SOP以及SOC结合并延伸的产物。它充分利用了三种方法的优势，但在设计思想和系统算法上与前三者有较大区别。射频微系统主要是采用自顶向下的设计方法，即是首先根据系统的功能、应用场景与所需元器件，协调工艺、电磁兼容、热管理等因素，综合考虑系统的架构、结构布局及算法（电路控制、通信协议等），然后再将需要解决的问题逐步下放直至解决。这种设计理念主要依赖于各个层级（晶体管级至系统级）IP核的建立以及不同层次的包括路仿真和场仿真在内的联合仿真。进一步，IP核建立的基础实质是各层级电路与器件的模块化。其涉及到晶体管的精确模型建立、器件及电路的精确模型建立。另外，由于热、电、力相互耦合作用的加深，在仿真系统中还应开展对多物理场仿真的研究。除了在设计与仿真方面的研究外，还有众多关键环节需要攻克。其中较为突出的问题是封装方法的研究，这又具体涉及到互连、传输线结构、材料、工艺等方面。目前，互连研究包括了硅通孔、异质互连等新型互连形式，并进一步对结构与材料进行优化以提升其性能和可靠性；此外，也有采用基于石墨烯、碳纳米管以及掺杂型碳纳米管来得到高性能、高可靠性的互连结构。而传输线研究主要是从材料、工艺等方面来控制传输线的损耗。如采用基于MEMS的微同轴结构，同时减少内部介质填充和对外辐射来减小传输损耗；采用玻璃封装来增强金属表面平整度，从而控制金属损耗等。由于微系统内不同信道间的传输线互耦急剧增强，这就需要进一步对高隔离传输线结构及传输线隔离结构进行研究。前面提到的微同轴方式采用了准封闭形式，能够有效减弱传输线的互耦。此外，利用新型材料（如石墨烯的吸波特性）来实现传输线隔离结构，也是有效提高传输线隔离性能的重要途径之一。

综上，射频微系统的研究是依托系统级自顶向下的设计思路，利用最新的工艺与技术，结合石墨烯、碳纳米管等新型材料，在探索新的机理与算法的基础上，构建精确模块化模型，构造新的结构，集系统、电路、器件、工艺、材料及算法为一体的多层次新型研究。

2 射频微系统中微波传输线的研究意义

系统的微型化以及集成度的增加，使得传输线间的线距减小，必然造成信号密度的增加，加剧不同信道间的串扰，恶化整个系统的信号完整性。特别在射频频段，信号辐射增强，信号间的串扰更加严重。同时，由于与数字高速电路的紧密集成，射频信号的耦合也会造成电源完整性问题，进一步影响系统性能，甚至是系统的正常工作。可见，具备高隔离特性的微波集成传输线是解决以上问题的关键途径。

在第一代微波电路中，传输线主要采用的是金属波导结构，代表有矩形波导、同轴线等。其优点是损耗低，品质因数高，结构牢固不易形变并且有很高的功率容量。然而，由于其结构限制，它的缺点也非常明显：体积相对太大，过于笨重，对加工工艺要求较高，装配过程复杂。因此，相应成本高，环境适应性差，难以集成。由于集成技术的发展，微带线、带状线、槽线、共面线等适用于平面电路的传输线得到了大量的研究。比起立体结构型的波导、同轴线，这些传输线有着体积小、重量轻、易于批量生产、可靠性好、一致性好、成品率高以及成本低等优点，也是三代、四代电路和系统的基础。相应的，由于体积小、非封闭结构以及介质基板的使用，它们的Q值较低，功率容量小，目前仅限于中、小功率应用。另一方面，为在集成电路中保留立体波导的高Q值、大功率容量、低辐射的优势，基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）作为一种新的导波结构在近几年成为了研究热点。由于采用印制板工艺，其具备了易加工、低成本等优点，并容易与现有平面电路集成。相较于传统平面电路，其品质因数更高，能够应用在微波到毫米波的频段。

总的来说，微波传输线研究进入了一个平台期，已经鲜有对微波传输线结构的研究。而对传输线的性质研究也已经较为成熟，其建模方法也开始趋同。现在的研究主要是在工程上的巧妙应用。然而，随着微系统的发展，部分传统微波传输线并不能适用于微系统。就需针对微系统的需求进一步展开相应微波传输线的研究。

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