基于垂直排列碳纳米管的D波段空气填充波导：面向高频系统的低损耗互连新方案

《IEEE Microwave and Wireless Technology Letters》：Carbon Nanotubes-Based Air-Filled Waveguide for D-Band Applications

本刊推荐：为应对D波段（110-170 GHz）高频系统中被动互连的插入损耗、信号劣化及串扰等挑战，研究人员开展了基于垂直排列碳纳米管（VACNT）侧壁的空气填充波导（AFWG）研究。通过全波3-D电磁仿真与等效VACNT体模型结合的设计，采用CMOS兼容的CNT转移与专用组装工艺制备了两种器件（无金溅射与500-nm金层涂层）。实验表明，金溅射使插入损耗降低约3 dB，回波损耗优于15 dB，平均衰减常数达0.14 dB/mm，与领先D波段技术相当，展现了VACNT波导在未来高频系统中作为紧凑、低损耗互连的潜力。

　　

随着无线通信和传感系统的飞速发展，研究领域正不断向毫米波（mm-wave）和亚太赫兹（sub-THz）频段推进。其中，D波段（110-170 GHz）因其在超高速数据传输、汽车雷达和高分辨率成像等方面的应用前景而备受关注。然而，高频工作也带来了严峻挑战，尤其是被动互连部件如何维持低插入损耗、减少信号劣化并抑制串扰，成为确保系统可靠性的关键。传统金属波guide虽具低损耗特性，却因体积大、制造成本高以及与现代平面和CMOS系统集成困难等缺点，促使研究者寻求替代方案。近年来，基板集成波导（SIW）、多层空气填充波导（AFWG）以及3D打印或微加工组件等方案被提出，但它们仍面临制造复杂性、介质损耗或频率升高时的可扩展性限制。

在这一背景下，碳基纳米材料——尤其是垂直排列碳纳米管（VACNTs）——崭露头角。凭借优异的电导率、机械鲁棒性以及与纳米尺度集成的兼容性，VACNTs为毫米波和亚太赫兹应用带来了新希望。早期研究已证实VACNT基AFWG在E波段（60-90 GHz）可作为低损耗、紧凑且CMOS兼容的经典设计替代品，这为将其推广至要求更严苛的D波段奠定了基础。

本文首次报道了针对150 GHz应用设计的D波段VACNT基AFWG，其核心贡献包括：首次在150 GHz频段制备并测量了VACNT基AFWG；开发了低温CMOS兼容的碳纳米管转移工艺；并通过仿真与实验对比研究了金溅射与非溅射CNT波导的性能差异。

研究采用全波3-D电磁仿真软件Ansys HFSS，结合VACNT体等效模型进行设计。该模型基于CNT轴向复电导率公式，其中考虑了CNT的费米速度、弛豫频率和密度等参数。波导结构以氧化铝为底层机械支撑，高阻硅为顶层，用于金属化和CNT集成。波导宽度设为1.4 mm，以确保TE₁₀模的截止频率接近110 GHz。侧壁由高100 μm、宽500 μm的VACNT阵列构成。为激发TE₁₀模，设计了接地共面波导（GCPW）至AFWG的过渡结构，通过两个VACNT柱将I/O GCPW线短路至顶层金属，产生所需磁场以实现高效模耦合。过渡关键尺寸包括线宽50 μm、间隙29 μm、锥度偏移30 μm等。为减少衬底干扰，在过渡周围布置了金属通孔和接地CPW线。制备了长度分别为6 mm和7 mm的两种AFWG原型，用于通过直通-反射-线（TRL）校准提取传播常数。

制造过程采用光刻、电子束沉积和CNT生长等工艺。针对VACNT高温生长与CMOS工艺不兼容的问题，引入了低温转移技术：先在硅衬底上生长VACNT森林，经金涂层后通过热压键合转移至金属化硅顶盖，再次金涂层后最终转移至镀金氧化铝底层。该流程有效避免了碳残留，并实现了CNT生长与MMIC工艺的分离。扫描电镜（SEM）图像显示了转移后VACNT结构的形貌。

测量使用Keysight PNA-X与VDI频扩器，在110-170 GHz频段进行。通过TRL校准去嵌入探头和夹具影响。对非溅射波导，插入损耗随长度增加而增大，在140-160 GHz频段内，6 mm和7 mm器件的S₂₁最优值分别为-5.26 dB和-5.29 dB，回波损耗优于10 dB。仿真基于目标CNT密度（10¹⁵CNTs/m2），但实际制备密度仅为10¹³-10¹⁴CNTs/m2，导致损耗较高。为此，对CNT壁进行500 nm金溅射（厚度大于金在150 GHz的趋肤深度），使射频电流主要流经金层，而CNT骨架仍提供高深宽比侧壁和机械支撑。

衰减常数通过平均6 mm与7 mm器件的插入损耗差提取。金溅射波导的平均衰减为0.14 dB/mm，非溅射版本为0.20 dB/mm。分析表明，性能提升主要源于I/O过渡处CNT-金属接触的改善，而非侧壁电导率的提高。

与现有技术对比显示，本工作的衰减常数（0.14-0.20 dB/mm）与D波段领先技术相当。仿真理想金壁波导的衰减为0.060-0.092 dB/mm，实测结果接近这一基准。

本研究首次实现了D波段CNT基AFWG的设计、制备与验证。通过CMOS兼容的CNT转移和组装工艺，获得的衰减常数与当前先进解决方案相当。性能还可通过优化CNT密度、改进I/O过渡和集成方法进一步提升。该技术为未来高度集成的毫米波和亚太赫兹无源组件（如低损耗互连、滤波器和耦合器）的发展奠定了坚实基础。