基于IPD技术的集总元件宽带Wilkinson功分器*

钱州强，邢孟江

（昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504）

0 引 言

随着无线电技术的飞速发展，功率分配器作为系统中的重要设备，相关技术也得到了广泛和深入的研究。传统的威尔金森功分器只能工作在单一频率上，无法满足宽带技术在无线通信中的要求。现在对基于传输线技术的宽带威尔金森功率分配器的研究取得了很多成果[1-3］。然而，这些基于传输线的功率分配器在印刷电路板上占用很大的芯片面积，增加了成本并导致了额外的功耗能力[4］。本文提出的集总分量Wilikinson功率分配器，采用LC阻抗变换部分代替传统的电路传输线，大大减小了功率分配器的尺寸[5］。功率分配器也可以使用IPD工艺制造。

1 IPD制造过程

集成无源器件技术可将分立无源器件集成到衬底中，并提高Q因子和系统集成度。Q因子高达70的电感可以通过高阻硅（HRS）IPD技术来制备，因为高电阻硅衬底具有良好的RF特性[6］。基于薄膜技术的HRS-IPD具有高精度，高集成度的特点，同时可将特征尺寸减小一个数量级。 采用成熟的硅技术可以实现成本更低的批量制造。此外，HRS-IPD技术可以与硅通孔（TSV）技术相结合，实现3D系统封装，分析表明HRS-IPD技术在系统集成方面具有良好的应用前景[7］。

目前可用的IPD技术分为厚膜技术和薄膜技术。低温共烧陶瓷（LTCC）是一种典型的厚膜IPD技术，广泛用于民用通信，军事电子产品[8］。然而，陶瓷基片烧结收缩严重，很难形成高精度的嵌入式元件[2］。基于光刻，化学气相沉积（CVD），磁控溅射和其他工艺的薄膜IPD技术可以提供优异的器件精度和功能密度。基于此，无源器件的尺寸可以减小一个数量级。常用的衬底材料是硅，玻璃。由于硅具有价格低，导热性好，与IC生产工艺兼容等优点，因此被广泛应用于IPD技术[9］。

IPD工艺流程图如图1所示，有三层电镀铜用于金属-绝缘体-金属（MIM）电容器，螺旋电感器和互连。用作互连的第一层金属（M1）和用于MIM电容器的背板使用厚度为1 μm的铜。 使用厚度为0.2 μm的电介质（D1）作为MIM电容器的绝缘层。Cu从0.65 μm的厚度作为第二层金属（M2），第二层金属是MIM电容器的顶部。用厚度为10 μm的铜层作为第三层金属（M3），用于实现螺旋电感和引线键合焊盘。介电层（D2）是用于将螺旋电感的M3层与M1层的下层路径分开的低k介电层。低k材料用作绝缘层（PV）以保护顶部金属M3。

图1 IPD工艺图

2 电路设计

集总元件Wilkinson功率图的电路配置如图2所示，它是一个N单元电路，包括一个N波段LC阻抗变换网络和N个跨接电阻。如图2所示，电路关于平面A-A'对称，并且可以使用奇偶模式激励方法进行分析。A-A'对应于磁壁，即打开状态；当2,3端口，A-A'中的奇模激励相当于壁时，即短路状态。图3和图4分别给出了在偶模激励和奇模激励下的等效电路。

图2 集总元件Wilkinson功率分配器电路

图3 奇模激励的等效电路

图4 偶模激励的等效电路

图5 两级功率分配器的电路

在奇模激励电路中，第i段(i=1,2,…,n)的输入导纳为：

以此类推：

因此，奇模激励电路的输入阻抗为：

在偶模激励电路中，第i段(i=1,2,…,n)的输入导纳为:

以此类推：

本电路中奇模与偶模的反射系数为：

根据三端口对称网络分析理论，网络的散射参数为：

在上面的等式中，Γo/e是奇数/偶数模式的反射系数。威尔金森功率分配器是所有端口匹配的网络，所以式（12）和式（13）等于0;同时端口3和端口3是隔离的，所以式（11）等于0。所以我们可以很容易地计算下面的值。

在图4中，由于没有电流通过隔离导纳，可以看作是开路，所以两个输出电路都可以看作是LC阻抗变换器，可以将2Z0转换为Z0。因此，偶模激励电路可以采用N阶Chebyshev宽带阻抗转换网络，Dauid等人给出了公式[10］。

此时，N阶威尔金森功率分配器的问题转化为阻抗比为2∶1的宽带阻抗变换（偶模）和宽带阻抗匹配（奇模）的问题。

当N=2时，威尔金森功分器的相对带宽约为0.8，奇模电路的零点可以匹配整个频段的输出端口，得到更好的隔离。从式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可以得到两级威尔金森功分器奇模电路的输入导纳和输入反射系数。

在以上所有公式中，

通过将式（16）代入式（9）可以获得以下结果。

从式（15）知道Γo2=0，所以式（18）中的分子必须为0。因此，分子的实部和虚部也是0。可以计算出：

当N=2时，相对带宽为0.8，中心频率为1 GHz，电容和电感分别为：C1=1.2 pF，C2=2.5 pF；L1=13.5 nH，L2=7.5nH[11］。式（21）得到的隔离电阻值为：R1=360Ω，R2=205Ω。如图5所示。

3 功分器的仿真与模型的建立

使用ADS绘制图6所示的电路，仿真S参数，如图7所示。从图7可以看出，在0.745～1.3 GHz频段，功率分配器的分配损耗小于0.1 dB，输入反射系数和隔离度均低于-20 dB。根据本文提到的IPD过程，HFSS中绘制的模型如图8所示，S参数的模拟如图8所示。图8中模型的尺寸仅为1.8 mm×1.5 mm。S参数值也符合设计要求。

图7 ADS中功率分配器的S参数

图8 HFSS中的功率分配器模型

图9 HFSS中功率分配器的S参数

4 结 语

在分析功率分配器奇模阻抗的基础上，推导了两级功分器的分量公式。采用LC阻抗转换部分代替传统的电路传输线，大大缩小了功率分配器的尺寸。IPD技术不仅可以将无源器件集成到基板中以提高系统集成度，而且还可以产生高Q值电感。与LTCC等技术相比，高阻硅IPD技术具有集成度高的优点。我们还可以利用晶圆平台的优势，轻松利用现有的生产线进行批量生产。