一種低損耗LTCC威爾金森功分器設(shè)計

蔡 壯，葉 強

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一種低損耗LTCC威爾金森功分器設(shè)計

蔡 壯，葉 強

（中國計量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

設(shè)計了一種低損耗LTCC威爾金森功分器。采用低溫共燒陶瓷技術(shù)，達到器件小型化設(shè)計的目的。利用交叉疊層的方法，減小了兩路電路自身的寄生電容從而減小了功分器的插入損耗。為了驗證該設(shè)計的可行性，采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計制作通帶為1 425~1 900 MHz的威爾金森功分器，加工后測得其插入損耗小于–3.25 dB，尺寸僅為3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm。

低溫共燒陶瓷；功分器；交叉疊層；低插損；寄生電容；小型化

隨著集成電路、封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代通信設(shè)備逐漸向小型化、輕型化、高可靠性、高集成度和低成本等方向發(fā)展。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramics，LTCC）憑借其高集成度、高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性等特點已廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域[1]。

相對于高溫共燒陶瓷（High Temperature Cofired Ceramics，HTCC），LTCC使用更低的燒結(jié)溫度（小于900℃），保證了內(nèi)部可以用電導(dǎo)率較高的金屬（如金屬銀）進行內(nèi)部電路印刷，從而保證了較好的導(dǎo)電損耗。同時LTCC利用多層電路疊層工藝，將復(fù)雜的電路分為不同層，然后進行疊層，進一步提高了器件的集成度，是解決現(xiàn)在通信系統(tǒng)對器件小型化，高集成度要求的一個很好的解決方案。

在微波通信系統(tǒng)中，功分器有著重要的應(yīng)用，它是將輸入功率分成等分或成比例不等分的多功率的多端口元件，它將輸入功率按照一定比例分配給不同的發(fā)射單元。因此功分器的性能好壞將會影響整個系統(tǒng)功率分配及合成效率。對于功分器，在要求的頻帶范圍內(nèi)，輸出功率按照一定的比例進行分配，各個端口間有較好的隔離，輸入及輸出端口需進行匹配，以獲得盡可能小的傳輸損耗。

目前印刷電路工藝（Printed Circuit Board，PCB）已日漸成熟，基于PCB工藝的功分器已經(jīng)有較多的應(yīng)用[2]，但相比于LTCC工藝其尺寸依舊很大且有著較大的插損。本文將利用LTCC多層陶瓷疊層工藝結(jié)合交叉疊層的設(shè)計方法，從減小功分器插入損耗著手，給出一種低損耗威爾金森功分器的小型化設(shè)計。

1 功分器原理及設(shè)計

二等分功分器是較為簡單的三端口網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)其較高的隔離度要求，采用經(jīng)典的混合型功率分配器設(shè)計即威爾金森功分器。威爾金森功分器的原理主要是在功分器輸出端加入隔離電阻從而達到端口匹配及增大其隔離度的目的[3]。加入隔離電阻之后，功分器則變?yōu)橛泻娜丝诰W(wǎng)絡(luò)。由三端口網(wǎng)絡(luò)的特性可知，有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)端口匹配并且輸出端口具有較好的隔離度。當(dāng)威爾金森功分器輸出端口均匹配時，隔離電阻只消耗反射功率，故此功分器仍具備無損耗特性。威爾金森功分器電路模型如圖1所示。該模型為LTCC工藝模型的π型等效電路，是對傳統(tǒng)的威爾金森功分器集總參數(shù)模型簡化所得。電路共兩路，能量從Input輸入，從Output1、Output2兩端等分輸出，其中每一路均可等效成為一個內(nèi)埋電阻R1、內(nèi)埋電感L1、寄生電容Cc及兩個下地電容C1、C2。其中寄生電容Cc及內(nèi)埋電阻為功分器插入損耗的主要來源。由于內(nèi)埋電阻與內(nèi)埋導(dǎo)體的電導(dǎo)率及模型所用的陶瓷材料有關(guān)，想要減小內(nèi)埋電阻需要較高的加工成本。

圖1 威爾金森功分器等效電路

為獲得較大的電感值，LTCC功分器一般采用立體螺旋式電感，如圖2所示。相對于平面式的電感，立體螺旋電感所占用的面積更小，有效電感值更大。但是由于其立體結(jié)構(gòu)，在提供較大的有效電感值的同時電路自身會產(chǎn)生一定的寄生電容。等效電路如圖3所示。但由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對其參數(shù)的提取主要通過定性的計算機仿真來實現(xiàn)。

圖2 HFSS中立體螺旋式電感模型

圖3 立體螺旋電感等效電路模型

文獻[4]中給出立體螺旋電感在HFSS中提取的理論公式：

式中：eff為螺旋電感的電感值；1、2為螺旋電感等效的下地電容；c為電感自身所產(chǎn)生的寄生電容。由公式（4）可知減小寄生電容c可有效增加電感的自諧振頻率。

文獻[5]中給出金屬片之間電容量的計算公式：

式中：為介質(zhì)層的介電常數(shù)；為極板面積；為靜電力常數(shù)；為兩極板之間距離。由上式可知減小極板面積和增加兩極板之間距離均可減小電容量。微波系統(tǒng)中電感所產(chǎn)生的寄生電容很難用公式來量化計算，但根據(jù)公式（5）可得到改善寄生電容的方向。文獻[5]中還給出，當(dāng)電感的自諧振頻率增高時，電路的值將呈現(xiàn)上升趨勢。

本文利用交叉疊層，它的結(jié)構(gòu)特點在于當(dāng)金屬導(dǎo)線每繞完一圈就從原本的金屬層轉(zhuǎn)換到相鄰的金屬層中。這意味著兩段相鄰金屬導(dǎo)線之間的距離增大了一倍，從而達到減小寄生電容增大電感值改善功分器插入損耗的目的[6-8]。

2 三維建模仿真

本文將利用電磁仿真軟件HFSS建立功分器模型并利用交叉疊層的方法設(shè)計功分器兩路輸出電路。根據(jù)電路模型利用LTCC工藝疊層與通孔技術(shù)進行多層疊層來實現(xiàn)。具體三維模型如圖4所示。模型中電感層通過交叉疊層的方式，模型內(nèi)部電路部分共6層，從下至上依次為屏蔽層、輸入端電感層、四層交叉疊層的輸出端電感層。功分器利用LTCC多層陶瓷疊層工藝，每層電路均由印有相應(yīng)電路的陶瓷基片組成，需要相連的兩層電路之間通過陶瓷基片中灌有銀漿的通孔相連。如圖4所示，兩路輸出電路通過兩層電路之間的通孔相連實現(xiàn)交叉疊層，為進一步減小寄生電容，每一路電感的上下兩層電感在方向上不重合。

圖4 功分器模型

功分器能量從Input端輸入，經(jīng)過輸入層流向交叉疊層的電感層，最后至Output1、Output2端實現(xiàn)輸出。實際應(yīng)用中由威爾金森功分器的特性要求兩個輸出端Output1、Output2中間需接一個100 Ω電阻[9-11]。

利用HFSS強大的仿真優(yōu)化能力最后確定每層金屬電感的尺寸大小，文中所設(shè)計的功分器采用相對介電常數(shù)為6.8的陶瓷材料，所在頻段為1 425~ 1 900 MHz。根據(jù)指標(biāo)要求，根據(jù)二功分器要求在要求通帶內(nèi)，理想狀態(tài)下兩路輸出端的插損均在–3.0 dB，在實際情況下考慮到無源器件自身的損耗，通常要求其插入損耗小于等于–3.5 dB。文中利用交叉疊層的方法有效減小了兩路電路的插入損耗，具體仿真指標(biāo)如圖5所示。兩路電路的插入損耗21、31均小于–3.25 dB，同時通帶內(nèi)三個端口的回波損耗11、22、33均小于–17 dB，兩個輸出端Output1與Output2之間的隔離度│23│大于20 dB。

3 實際測試

根據(jù)所設(shè)計的模型，將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出每層所需要的電路圖形，然后利用等靜壓機器將生瓷帶按模型電路疊壓在一起，隨后按照模型所對應(yīng)尺寸進行切割，切割完的器件需在900 ℃下燒結(jié)，再利用含鈀銀漿進行外電極端印，制作完成文中所述功分器。功分器實物如圖6所示。功分器最終尺寸大小為3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm。

圖5 功分器的S參數(shù)

圖6 功分器實物圖

測試使用焊接方法，利用安捷倫5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。將Input設(shè)為1端口，Output1、Output2分別設(shè)為2端口和3端口，測試結(jié)果如圖7所示，在通帶內(nèi)插入損耗小于–3.25 dB，滿足仿真設(shè)計指標(biāo)，三個端口的回波損耗均小于–15 dB，兩路信號的相位差小于3°，兩輸出端隔離度小于–19 dB，有著較好的隔離效果。

圖7 功分器實測結(jié)果

4 結(jié)論

利用交叉疊層的方法，設(shè)計了一款小型化低損耗LTCC威爾金森功分器，通過交叉疊層，使每一路電感兩層之間的距離增加一倍，從而減小了每一路電感自身的寄生電容，增大了電感值與電感的自諧振頻率，從而達到減小損耗的目的。從仿真與實物測試結(jié)果都可看出，所設(shè)計的功分器插入損耗小于–3.25 dB，而通常威爾金森功分器的插入損耗一般在–3.5 dB左右[2]。該功分器憑借其小尺寸，良好的性能指標(biāo)，會有較好的發(fā)展前景。

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（編輯：陳渝生）

Design of low-loss LTCC Wilkinson power divider

CAI Zhuang, YE Qiang

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Used the technology of low temperature co-fired ceramics, a kind of low insertion loss Wilkinson power divider was designed. And it achieved the purpose of miniaturization of the device design. The insertion loss was decreased by reducing the parasitic capacitance of the two circuits using the method of stratified stacked inductor. Used the approved structure, a power divider with pass band in 1 425－1 900 MHz was designed. Test results denote that the insertion loss is less than –3.25dB, and the size is only 3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm.

LTCC; power divider; stratified stack; low insertion loss; parasitic capacitance; miniaturization

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.012

TN626

A

1001-2028（2016）07-0049-04

2016-05-25

葉強

葉強（1964－），男，浙江余姚人，教授，從事微波無源器件設(shè)計及無源互調(diào)測量等方面的研究，E-mail: yeqiang0571@163.com；

蔡壯（1991－），男，江蘇宿遷人，研究生，研究方向為微波無源器件設(shè)計，E-mail: cz5196@qq.com。

2016-07-01 10:50:43

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.012.html