DC～6 GHz厚膜溫度補(bǔ)償衰減器的設(shè)計(jì)與制備

張 青，羅彥軍，朱雪婷，陳慶紅，夏 丹

（中國振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018）

DC～6 GHz厚膜溫度補(bǔ)償衰減器的設(shè)計(jì)與制備

張 青，羅彥軍，朱雪婷，陳慶紅，夏 丹

（中國振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018）

基于π型衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用軟件HFSS設(shè)計(jì)了工作頻率在DC～6 GHz的溫度補(bǔ)償衰減器，并采用厚膜絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%氧化鋁基板上制備出衰減量為(3±0.5) dB和溫度系數(shù)為N5（-0.005 dB/dB/℃）的溫度補(bǔ)償衰減器，其體積小（3.68 mm×3.12 mm×0.5 mm），采用SMT安裝方式，工作溫度范圍為-55～+125 ℃，補(bǔ)償精度高，每攝氏度補(bǔ)償-0.005 dB/dB。

微波衰減器；溫度補(bǔ)償；射頻；π型衰減器；PTC電阻；NTC電阻

在傳統(tǒng)高頻及微波有源系統(tǒng)中，為了減少高頻及微波放大器增益隨環(huán)境溫度的變化，需要在系統(tǒng)中安裝溫度檢知器和功率耦合器等諸多器件，不僅增加研制周期，而且成本高，故障率高。溫度補(bǔ)償衰減器的出現(xiàn)，解決了高頻及微波功率放大器增益隨環(huán)境溫度而變化的問題，同時(shí)體積小，成本低，滿足微波系統(tǒng)小型化、集成化的發(fā)展要求。目前對微波薄膜衰減研究較多，例如Cuong等[1-2]利用TaN薄膜設(shè)計(jì)與制備適用于3～6 GHz、最大功率25 W的20 dB微波薄膜衰減器，并應(yīng)用在通信基站上；李凌等[3]采用TaN薄膜設(shè)計(jì)與制備12 dB衰減器，工作頻率DC～3 GHz；清華大學(xué)微電子研究所在多晶硅上設(shè)計(jì)并制備了10 dB微波衰減器[4]，工作頻率DC～20 GHz。但鮮有人采用厚膜工藝設(shè)計(jì)并研制微波溫度補(bǔ)償衰減器。

本文基于π型衰減網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出了工作頻率DC～6 GHz的3N5微波厚膜溫度補(bǔ)償衰減器。使用Ansoft HFSS軟件仿真微波溫度補(bǔ)償衰減器的微波傳輸特性。根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)及尺寸，采用厚膜印刷工藝，在氧化鋁基板上印刷微波溫度補(bǔ)償衰減器，其除了具有傳統(tǒng)微波薄膜衰減器的體積小、微波性能穩(wěn)定可靠、易于與微波系統(tǒng)集成外，還具有工作溫度范圍寬（-55～+125 ℃），溫度補(bǔ)償精度高等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)與仿真

衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為T型和π型，本文基于π型衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)微波溫度補(bǔ)償衰減器，π型衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖中，R1、R3為正溫度系數(shù)的熱敏電阻（PTC），阻值相同，R2為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC），輸入輸出阻抗為50 Ω。常溫下，R1、R2的阻值分別由公式（1）和（2）計(jì)算獲得[5]：

式中：A為衰減量，單位dB；Z0為特征阻抗。微波溫度補(bǔ)償衰減器還有一個(gè)重要參數(shù)TCA，即N值，其定義為在工作溫度范圍內(nèi)，衰減量隨溫度變化的變化量與衰減量的比值，可用公式（3）表示：

式中：ΔT為溫度變化量，單位℃；ΔA為衰減量變化量，單位dB。通過TCA值計(jì)算各溫度下R1和R3的阻值。

圖2所示為微波厚膜溫補(bǔ)衰減器，主要由介質(zhì)基板、厚膜電阻、金屬電極和絕緣玻璃組成。基板選用3.68 mm×3.12 mm×0.5 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%氧化鋁陶瓷，相對介電常數(shù)9.0；其中R1和R3是正溫度系數(shù)熱敏電阻，R2是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，電極為銀鈀。

圖2 3N5溫補(bǔ)衰減器仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2 3N5 removing attenuator simulation structure

本文研究設(shè)計(jì)的3 dB微波溫補(bǔ)衰減器，在-55～+125 ℃工作溫度范圍內(nèi)，TCA為-0.005 dB/dB/℃，輸入輸出阻抗均為50 Ω，利用公式（1）和（2）計(jì)算出常溫下R1為292 Ω，R2為18 Ω。在采用HFSS建模仿真過程中，由于軟件不能模擬電阻阻值隨溫度變化，因此僅能利用公式（1）～（3）計(jì)算出各溫度點(diǎn)R1和R2阻值，表1所示是R1和R2隨溫度的變化值，每隔20 ℃設(shè)置一個(gè)溫度點(diǎn)，分別進(jìn)行優(yōu)化仿真。圖3和圖4所示是在常溫下的仿真結(jié)果。

表1R1和R2隨溫度變化值Tab.1R1 andR2 values change with temperature

圖3S21隨頻率變化曲線Fig.3S21change curve with frequency

圖4 VSWR隨頻率變化曲線Fig.4 VSWR change curve with frequency

從圖3所示的衰減量隨頻率變化曲線可知，在DC～6 GHz內(nèi)，S21約為3 dB，曲線趨于平坦；從圖4所示電壓駐波比（VSWR）隨頻率變化曲線可知，在DC～6 GHz內(nèi)，VSWR小于1.1，這表明衰減器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)匹配較好，衰減器信號衰減不是由于輸入輸出阻抗不匹配造成的反射，而是通過衰減器內(nèi)部電阻吸收功率實(shí)現(xiàn)。

2 樣品制備

根據(jù)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)出微波溫補(bǔ)衰減器結(jié)構(gòu)尺寸，首先使用絲網(wǎng)印刷工藝在厚度為0.635 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%氧化鋁基板上印制銀鈀電極；然后根據(jù)設(shè)計(jì)R1和R2，配制R1和R2的電阻漿料，印刷在印有電極的基板上；采用激光調(diào)阻功率進(jìn)行阻值精調(diào)；最后印刷絕緣包封層。圖5所示是制備出的微波厚膜溫補(bǔ)衰減器。

將制備出的微波厚膜溫補(bǔ)衰減器安裝在微波測試夾具，并放入高低溫溫控實(shí)驗(yàn)箱中，采用Rohde & Schwarz公司ZNB40型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其微波傳輸特性。

圖5 3N5微波厚膜微波衰減器Fig.5 3N5 microwave attenuator of thick film

3 結(jié)果與討論

圖6和圖7是DC～6 GHz微波溫補(bǔ)衰減器測試的S11參數(shù)和VSWR的測試結(jié)果。從圖6可看出，在常溫下，所制作的微波溫補(bǔ)衰減器在DC～6 GHz內(nèi)，衰減量在2.957 2 dB至3.010 6 dB，與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果基本保持一致。

圖6 3N5溫度補(bǔ)償衰減器衰減量隨頻率變化曲線Fig.6 The attenuation changing curve of 3N5 temperature compensation attenuator with frequency

圖7 3N5溫度補(bǔ)償衰減器VSWR隨頻率變化曲線Fig.7 The VSWR change curve of 3N5 temperature compensation attenuator with frequency

從圖7可以看出，在DC～6 GHz內(nèi)VSWR小于1.2，當(dāng)頻率增加到3 GHz時(shí)，VSWR為1.108，在3～6 GHz內(nèi)，VSWR大于1.1，但小于1.2，呈增長趨勢。盡管仿真在DC～6 GHz內(nèi)VSWR小于1.1，但實(shí)際器件VSWR有所偏高，主要原因是制作器件過程存在工藝誤差，如絲網(wǎng)印刷電極、電阻和包封層，以及激光調(diào)阻精度在±5%，這些因素都可能導(dǎo)致一定阻抗不匹配。同時(shí)測試采用工裝夾具，沒有進(jìn)行焊接，也會造成一定阻抗失配。以上原因造成的阻抗不匹配隨頻率增高越明顯，所以VSWR隨頻率增加有所增大。

圖8是在-55～+125 ℃內(nèi)，測量微波溫補(bǔ)衰減器的衰減量隨溫度變化曲線。從圖中可知，衰減量隨溫度變化趨于線性變化，通過線性擬合，利用公式（3）計(jì)算出N值，為-0.005 02 dB/dB/℃，完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 3N5微波溫度補(bǔ)償衰減器衰減量隨溫度變化曲線Fig.8 The attenuation curves of 3N5 temperature compensation microwave attenuator with the temperature changing

4 結(jié)論

采用HFSS仿真軟件，結(jié)合片式厚膜電阻工藝成功設(shè)計(jì)并研制出DC～6 GHz的3N5微波溫度補(bǔ)償衰減器。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明在設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)，輸入端口匹配好，VSWR小于1.1。在96%的氧化鋁基板上制作了厚膜微波溫補(bǔ)衰減器，測試結(jié)果表明，在DC～6 GHz內(nèi)衰減量為（3±0.5）dB，由于制作工藝和測量誤差，VSWR略高于仿真值，但滿足設(shè)計(jì)要求；測量衰減量隨溫度變化量，計(jì)算出N值為0.005 02 dB/dB/℃，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1] CUONG N D, YOON S G. Ti(N) thin film resistors for 20dB π-type attenuator applications [J]. Appl Phys Lett, 2007, 90(18): 3506-3508.

[2] CUONG N D, YOON S G. Realization of 20dB π-type attenuator using Ti(N) thin film resistors for the fourth generation of mobile telecommunications [J]. Appl Phys Lett, 2007, 91(20): 3502-3504.

[3] 李凌, 王磊, 彭斌, 等. 12 dB微波薄膜衰減器的設(shè)計(jì)與制備 [J]. 電子元件與材料, 2012, 31(3): 65-67.

[4] 郭昕, 李孟委, 龔著浩, 等. 基于π型多晶硅電阻網(wǎng)絡(luò)的片上衰減器[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015, 55(11): 1264-1268.

[5] OTT S, BETTRAY A, SOLBACH K. A distributed attenuator for K-band using standard SMD thin-film chip resistors [C]//Microwave conference, Asia Pacific. NY, USA: IEEE, 2009: 2148-2151.

（編輯：陳渝生）

Development of thick film temperature compensation attenuator in DC - 6 GHz

ZHANG Qing, LUO Yanjun, ZHU Xueting, CHEN Qinghong, XIA Dan
(Yunke Electronics Co., Ltd, China Zhenhua Group, Guiyang 550018, China)

Based on a π-attenuation network, the thick film temperature compensation attenuator with work frequency from DC to 6 GHz was designed by using the software HFSS. The attenuator was fabricated by using the technology of thick film screen printing on a 96% mass fraction alumina substrate. Results denote that the attenuation is (3±0.5) dB and the temperature coefficient is N5(0.005 dB/dB /℃), its size is 3.68 mm×3.12 mm×0.5 mm. The attenuator is installed by SMT processes, which has wide working temperature range (-55-+125 ℃). The high precision of compensation can be realized, - 0.005 dB/dB per ±1 ℃.

microwave attenuator; temperature compensation; radio frequency; π-attenuator; PTC resistor; NTC resistor

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.016

TN715

:A

:1001-2028（2016）08-0069-03

2016-06-06

：張青

張青（1984-），女，陜西西安人，工程師，主要從事厚薄片式電阻器設(shè)計(jì)研究，E-mail: yfzhangqing@hotmail.com 。

時(shí)間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.016.html