DC～6 GHz厚膜温度补偿衰减器的设计与制备

张 青，罗彦军，朱雪婷，陈庆红，夏 丹

（中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018）

DC～6 GHz厚膜温度补偿衰减器的设计与制备

张 青，罗彦军，朱雪婷，陈庆红，夏 丹

（中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018）

基于π型衰减网络结构，使用软件HFSS设计了工作频率在DC～6 GHz的温度补偿衰减器，并采用厚膜丝网印刷技术，在质量分数96%氧化铝基板上制备出衰减量为(3±0.5) dB和温度系数为N5（-0.005 dB/dB/℃）的温度补偿衰减器，其体积小（3.68 mm×3.12 mm×0.5 mm），采用SMT安装方式，工作温度范围为-55～+125 ℃，补偿精度高，每摄氏度补偿-0.005 dB/dB。

微波衰减器；温度补偿；射频；π型衰减器；PTC电阻；NTC电阻

在传统高频及微波有源系统中，为了减少高频及微波放大器增益随环境温度的变化，需要在系统中安装温度检知器和功率耦合器等诸多器件，不仅增加研制周期，而且成本高，故障率高。温度补偿衰减器的出现，解决了高频及微波功率放大器增益随环境温度而变化的问题，同时体积小，成本低，满足微波系统小型化、集成化的发展要求。目前对微波薄膜衰减研究较多，例如Cuong等[1-2]利用TaN薄膜设计与制备适用于3～6 GHz、最大功率25 W的20 dB微波薄膜衰减器，并应用在通信基站上；李凌等[3]采用TaN薄膜设计与制备12 dB衰减器，工作频率DC～3 GHz；清华大学微电子研究所在多晶硅上设计并制备了10 dB微波衰减器[4]，工作频率DC～20 GHz。但鲜有人采用厚膜工艺设计并研制微波温度补偿衰减器。

本文基于π型衰减网络，设计出了工作频率DC～6 GHz的3N5微波厚膜温度补偿衰减器。使用Ansoft HFSS软件仿真微波温度补偿衰减器的微波传输特性。根据仿真结构及尺寸，采用厚膜印刷工艺，在氧化铝基板上印刷微波温度补偿衰减器，其除了具有传统微波薄膜衰减器的体积小、微波性能稳定可靠、易于与微波系统集成外，还具有工作温度范围宽（-55～+125 ℃），温度补偿精度高等特点。

1 设计与仿真

衰减网络结构分为T型和π型，本文基于π型衰减网络设计微波温度补偿衰减器，π型衰减网络结构示意图如图1所示。

图中，R1、R3为正温度系数的热敏电阻（PTC），阻值相同，R2为负温度系数的热敏电阻（NTC），输入输出阻抗为50 Ω。常温下，R1、R2的阻值分别由公式（1）和（2）计算获得[5]：

式中：A为衰减量，单位dB；Z0为特征阻抗。微波温度补偿衰减器还有一个重要参数TCA，即N值，其定义为在工作温度范围内，衰减量随温度变化的变化量与衰减量的比值，可用公式（3）表示：

式中：ΔT为温度变化量，单位℃；ΔA为衰减量变化量，单位dB。通过TCA值计算各温度下R1和R3的阻值。

图2所示为微波厚膜温补衰减器，主要由介质基板、厚膜电阻、金属电极和绝缘玻璃组成。基板选用3.68 mm×3.12 mm×0.5 mm的质量分数96%氧化铝陶瓷，相对介电常数9.0；其中R1和R3是正温度系数热敏电阻，R2是负温度系数热敏电阻，电极为银钯。

图2 3N5温补衰减器仿真结构图Fig.2 3N5 removing attenuator simulation structure

本文研究设计的3 dB微波温补衰减器，在-55～+125 ℃工作温度范围内，TCA为-0.005 dB/dB/℃，输入输出阻抗均为50 Ω，利用公式（1）和（2）计算出常温下R1为292 Ω，R2为18 Ω。在采用HFSS建模仿真过程中，由于软件不能模拟电阻阻值随温度变化，因此仅能利用公式（1）～（3）计算出各温度点R1和R2阻值，表1所示是R1和R2随温度的变化值，每隔20 ℃设置一个温度点，分别进行优化仿真。图3和图4所示是在常温下的仿真结果。

表1R1和R2随温度变化值Tab.1R1 andR2 values change with temperature

图3S21随频率变化曲线Fig.3S21change curve with frequency

图4 VSWR随频率变化曲线Fig.4 VSWR change curve with frequency

从图3所示的衰减量随频率变化曲线可知，在DC～6 GHz内，S21约为3 dB，曲线趋于平坦；从图4所示电压驻波比（VSWR）随频率变化曲线可知，在DC～6 GHz内，VSWR小于1.1，这表明衰减器设计结构匹配较好，衰减器信号衰减不是由于输入输出阻抗不匹配造成的反射，而是通过衰减器内部电阻吸收功率实现。

2 样品制备

根据仿真优化设计出微波温补衰减器结构尺寸，首先使用丝网印刷工艺在厚度为0.635 mm的质量分数96%氧化铝基板上印制银钯电极；然后根据设计R1和R2，配制R1和R2的电阻浆料，印刷在印有电极的基板上；采用激光调阻功率进行阻值精调；最后印刷绝缘包封层。图5所示是制备出的微波厚膜温补衰减器。

将制备出的微波厚膜温补衰减器安装在微波测试夹具，并放入高低温温控实验箱中，采用Rohde & Schwarz公司ZNB40型矢量网络分析仪测量其微波传输特性。

图5 3N5微波厚膜微波衰减器Fig.5 3N5 microwave attenuator of thick film

3 结果与讨论

图6和图7是DC～6 GHz微波温补衰减器测试的S11参数和VSWR的测试结果。从图6可看出，在常温下，所制作的微波温补衰减器在DC～6 GHz内，衰减量在2.957 2 dB至3.010 6 dB，与仿真设计结果基本保持一致。

图6 3N5温度补偿衰减器衰减量随频率变化曲线Fig.6 The attenuation changing curve of 3N5 temperature compensation attenuator with frequency

图7 3N5温度补偿衰减器VSWR随频率变化曲线Fig.7 The VSWR change curve of 3N5 temperature compensation attenuator with frequency

从图7可以看出，在DC～6 GHz内VSWR小于1.2，当频率增加到3 GHz时，VSWR为1.108，在3～6 GHz内，VSWR大于1.1，但小于1.2，呈增长趋势。尽管仿真在DC～6 GHz内VSWR小于1.1，但实际器件VSWR有所偏高，主要原因是制作器件过程存在工艺误差，如丝网印刷电极、电阻和包封层，以及激光调阻精度在±5%，这些因素都可能导致一定阻抗不匹配。同时测试采用工装夹具，没有进行焊接，也会造成一定阻抗失配。以上原因造成的阻抗不匹配随频率增高越明显，所以VSWR随频率增加有所增大。

图8是在-55～+125 ℃内，测量微波温补衰减器的衰减量随温度变化曲线。从图中可知，衰减量随温度变化趋于线性变化，通过线性拟合，利用公式（3）计算出N值，为-0.005 02 dB/dB/℃，完全符合设计目标。

图8 3N5微波温度补偿衰减器衰减量随温度变化曲线Fig.8 The attenuation curves of 3N5 temperature compensation microwave attenuator with the temperature changing

4 结论

采用HFSS仿真软件，结合片式厚膜电阻工艺成功设计并研制出DC～6 GHz的3N5微波温度补偿衰减器。仿真设计结果表明在设计频率范围内，输入端口匹配好，VSWR小于1.1。在96%的氧化铝基板上制作了厚膜微波温补衰减器，测试结果表明，在DC～6 GHz内衰减量为（3±0.5）dB，由于制作工艺和测量误差，VSWR略高于仿真值，但满足设计要求；测量衰减量随温度变化量，计算出N值为0.005 02 dB/dB/℃，符合设计目标。

[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微波薄膜衰减器的设计与制备 [J]. 电子元件与材料, 2012, 31(3): 65-67.

[4] 郭昕, 李孟委, 龚著浩, 等. 基于π型多晶硅电阻网络的片上衰减器[J]. 清华大学学报(自然科学版)，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.

（编辑：陈渝生）

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

：张青

张青（1984-），女，陕西西安人，工程师，主要从事厚薄片式电阻器设计研究，E-mail: yfzhangqing@hotmail.com 。

时间：2016-08-03 22:36

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