段磊 于長江

（河北博威集成電路有限公司 河北省石家莊市 050000）

1 引言

在現(xiàn)代微波電路中，衰減器已被廣泛應(yīng)用于需要功率電平調(diào)整的各種場合。如放大器的輸入端、輸出端電平的控制，分支衰減量的控制等。衰減器有無源衰減器和有源衰減器兩種。有源衰減器可與其他熱敏元件相配合組成可變衰減器，無源衰減器又有固定衰減器和可調(diào)衰減器之分。本文主要探討固定衰減器的研制過程。

衰減器常用于微波系統(tǒng)中控制傳輸功率的大小，其技術(shù)指標(biāo)包括工作頻率、衰減量、衰減平坦度、功率容量、電壓駐波比等。隨著微波系統(tǒng)的集成化發(fā)展，電子元件的小型化成為研制微波無源衰減器的關(guān)鍵問題之一。

薄膜工藝是實現(xiàn)電子元件小型化和微型化的重要工藝手段之一，可將衰減器的電阻元件膜式化，衰減器片式化，體積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，擴大應(yīng)用頻率范圍。利用薄膜技術(shù)，在氧化鋁陶瓷基片上通過真空蒸發(fā)工藝、濺射工藝和電鍍等薄膜工藝，制造出具有功率衰減功能的微波片式固定衰減器。該系列寬帶固定衰減器具有體積小、無引線、重復(fù)性好、適于批量生產(chǎn)等特點，應(yīng)用廣泛。

2 研究內(nèi)容和目標(biāo)

2.1 材料

固定衰減器（以下簡稱衰減器）的基板材料選用氧化鋁陶瓷基板，厚度為0.3mm。衰減器的電阻材料主要采用氮化鉭材料[1]，這是基于氮化鉭材料良好的TCR（-100 ～-150ppm/℃），以及在較惡劣的環(huán)境變化情況下所表現(xiàn)出來的良好的穩(wěn)定性與可靠性決定的。

根據(jù)衰減器應(yīng)用場景及裝配方式確定衰減器金屬區(qū)材料選擇鎳金，適用于表貼裝配，以便焊接。

2.2 工藝

與厚膜電路相比較，薄膜電路的特點是所制作的元件參數(shù)范圍寬、精度高、溫度頻率特性好，可以工作到毫米波段，且集成度較高、尺寸較小。

薄膜固定衰減器的工藝流程如下：

版圖設(shè)計→材料準(zhǔn)備→濺射→光刻→電鍍→二次光刻→退火→附著力評價→電阻測試→基片目檢→劃片→測試→入庫。

2.3 設(shè)計

在材料與工藝都確定的情況下，本文從設(shè)計層面研究了寬帶固定衰減器的實現(xiàn)思路，包括電路結(jié)構(gòu)的分析和選擇、電路模型的設(shè)計與確立、設(shè)計軟件的仿真與對比等。通過不同設(shè)計思路的嘗試和比較，在掌握各設(shè)計思路的優(yōu)缺點的同時，得出了最優(yōu)設(shè)計方法。

2.4 性能指標(biāo)

由于不同電子設(shè)備對于衰減器衰減量及駐波的要求不同，研制時選取實際科研生產(chǎn)中需求量較大的衰減量，作為設(shè)計目標(biāo)。

寬帶固定衰減器設(shè)計指標(biāo)有：外型尺寸為2.0×1.5×0.3mm，輸入輸出阻抗為50Ω；頻率范圍：DC ～18GHz；標(biāo)稱衰減量為3dB（Ta=+25℃）；衰減精度為±0.5dB；端口回波損耗≤-15dB。

3 理論依據(jù)和分析

3.1 電路結(jié)構(gòu)分析

一般地，常用衰減器電路結(jié)構(gòu)為T 型和π 型[2]（圖1），這兩種電路結(jié)構(gòu)簡單實用，可以作為初步設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)布局。比較二者，由于T 型結(jié)構(gòu)中的通道電阻阻值很小，鑒于薄膜工藝的最小關(guān)鍵尺寸的限制，反映到設(shè)計中，需要占用較大的面積來實現(xiàn)相應(yīng)的小阻值，這樣不能滿足設(shè)計要求的尺寸，同時增大了寄生效應(yīng)，使得端口駐波惡化；而π 型結(jié)構(gòu)中的電阻相對較大，緩解了設(shè)計尺寸與工藝尺寸的矛盾。同時，在微波頻段，良好的接地可以減少寄生效應(yīng)，使得端口駐波等指標(biāo)隨著頻率的升高而惡化的現(xiàn)象有所減輕。由以上比較可知，π 型電路結(jié)構(gòu)比T 型結(jié)構(gòu)的電路更適合此次設(shè)計的要求。

圖1：常用衰減器電路結(jié)構(gòu)

3.2 阻值及材料分析

經(jīng)過計算，圖1 中π 型結(jié)構(gòu)電路的電阻值分別為R1：18Ω；R2 ～R3：292Ω。薄膜電阻值的計算公式為：

式（1）中，ρ 是薄膜電阻的面電阻率，單位為Ω/■，簡稱方阻；L 是膜電阻的長度；W 是膜電阻的寬度。由式（1）可以計算出，薄膜電阻的外型尺寸。

決定電阻阻值隨溫度變化的主要因素是其電阻材料的特性。電阻材料主要參數(shù)有方阻和電阻溫度系數(shù)等指標(biāo)。方阻決定了某電阻的方數(shù)，電阻溫度系數(shù)決定了衰減量的變化范圍。反之，根據(jù)衰減量隨溫度變化范圍可推算出大致的電阻溫度系數(shù)。電阻的溫度系數(shù)（TCR）可以用數(shù)學(xué)公式表示如下：

本文設(shè)計的衰減器所用的氮化鉭電阻材料具有負(fù)溫度特性，即隨著溫度的升高，電阻阻值會有一定程度的減小，反之增大的趨勢。例如將氮化鉭電阻材料的TCR 按-100 ppm/℃計算，在高溫（Ta=+85℃）時，電阻阻值減小0.006Ω，在低溫（Ta=-55℃）時，電阻阻值增加0.008Ω，可見電阻阻值在高低溫環(huán)境下變化非常小，對衰減器的性能影響很小，電阻在高低溫環(huán)境變化下的穩(wěn)定性較好。

3.3 寄生效應(yīng)分析[3]

雖然薄膜工藝具備了小型化的優(yōu)點，但是由于工藝關(guān)鍵尺寸的限制，在微波應(yīng)用尤其是X 波段以上，器件的寄生效應(yīng)仍然嚴(yán)重惡化了衰減器的性能，本文在此就此情況進行適當(dāng)?shù)睦碚摲治觥?/p>

對高頻電阻來說，在實際應(yīng)用過程中，都會存在寄生電感和寄生電容等寄生效應(yīng)，對于微波片式衰減器上的電阻，其等效電路可大致如圖2所示。

圖2：高頻片式電阻等效電路

寄生電容C1、C2 的計算公式：

依據(jù)實際電路所需尺寸計算可得，寄生電容值較大，而寄生電感量較小。所以重點考慮對地電容所帶來的寄生效應(yīng)。由于寄生電容的存在，使得電路在高頻時出現(xiàn)衰減變大，駐波變差的情況，因此，在設(shè)計過程中需要通過匹配電路設(shè)計拓展寬帶應(yīng)用。

4 軟件設(shè)計及仿真

根據(jù)以上的分析，結(jié)合薄膜工藝的設(shè)計規(guī)則，本文建立了用于表貼的衰減器三維電路結(jié)構(gòu)模型，其布局及其仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3：衰減器電路結(jié)構(gòu)模型

圖4：仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，表貼裝配衰減器，優(yōu)化寄生效應(yīng)，電路的應(yīng)用頻段很寬。在DC-20GHz 的頻段內(nèi)，衰減器表現(xiàn)出較好的衰減平坦度及端口駐波。

5 樣品試制、測試與結(jié)果分析

實際制作出固定衰減器的外型尺寸為2.0×1.5×0.3mm，其外觀如圖5所示。利用自制的測試裝置，對該組件進行裝配測試，如圖6所示。

圖5：衰減器實物外觀

圖6：衰減器測試裝置

將測試裝置連接矢量網(wǎng)絡(luò)測試儀進行測試，得到測試曲線，如圖7所示。

圖7：衰減器測試結(jié)果

通過衰減器測試結(jié)果可以看到，衰減器在表貼裝配下在DC-20GHz 的頻段范圍內(nèi)，具有良好的衰減平坦度及端口駐波特性。

通過對測試結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合，仿真對實際研制有很好的指導(dǎo)作用，但是仿真軟件只是在理想情況下的估算，實測結(jié)果偏差分析如下：測試夾具的損耗導(dǎo)致實測衰減量的偏差，并隨頻率的升高而加大；軟件建模與實測環(huán)境差別較大，導(dǎo)致仿真結(jié)果優(yōu)于實測結(jié)果，表現(xiàn)出的性能（如衰減平坦度、回波損耗等指標(biāo)）有所差異。

6 結(jié)論

此次對寬帶固定衰減器的研制過程說明通過對電路布局優(yōu)化設(shè)計，建模仿真，利用成熟可靠精細(xì)的薄膜工藝，研制微波片式固定衰減器是非常適用的，并且指標(biāo)已經(jīng)符合實用標(biāo)準(zhǔn)，可批量生產(chǎn)，同時具有繼續(xù)開發(fā)新型衰減器產(chǎn)品的空間。關(guān)鍵問題就是抓住衰減電路結(jié)構(gòu)的布局、盡量減小內(nèi)部寄生參數(shù)的影響和充分利用仿真工具做指導(dǎo)，提高仿真結(jié)果與實測結(jié)果的一致性。此外，理論和設(shè)計經(jīng)驗也表明此類產(chǎn)品特別適合微波設(shè)備的功率衰減，并且各項技術(shù)指標(biāo)以及外型均可根據(jù)用戶要求靈活定制。