宽带微波片式固定衰减器的研究

段磊 于长江

（河北博威集成电路有限公司 河北省石家庄市 050000）

1 引言

在现代微波电路中，衰减器已被广泛应用于需要功率电平调整的各种场合。如放大器的输入端、输出端电平的控制，分支衰减量的控制等。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器可与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，无源衰减器又有固定衰减器和可调衰减器之分。本文主要探讨固定衰减器的研制过程。

衰减器常用于微波系统中控制传输功率的大小，其技术指标包括工作频率、衰减量、衰减平坦度、功率容量、电压驻波比等。随着微波系统的集成化发展，电子元件的小型化成为研制微波无源衰减器的关键问题之一。

薄膜工艺是实现电子元件小型化和微型化的重要工艺手段之一，可将衰减器的电阻元件膜式化，衰减器片式化，体积减小，结构紧凑，扩大应用频率范围。利用薄膜技术，在氧化铝陶瓷基片上通过真空蒸发工艺、溅射工艺和电镀等薄膜工艺，制造出具有功率衰减功能的微波片式固定衰减器。该系列宽带固定衰减器具有体积小、无引线、重复性好、适于批量生产等特点，应用广泛。

2 研究内容和目标

2.1 材料

固定衰减器（以下简称衰减器）的基板材料选用氧化铝陶瓷基板，厚度为0.3mm。衰减器的电阻材料主要采用氮化钽材料[1]，这是基于氮化钽材料良好的TCR（-100 ～-150ppm/℃），以及在较恶劣的环境变化情况下所表现出来的良好的稳定性与可靠性决定的。

根据衰减器应用场景及装配方式确定衰减器金属区材料选择镍金，适用于表贴装配，以便焊接。

2.2 工艺

与厚膜电路相比较，薄膜电路的特点是所制作的元件参数范围宽、精度高、温度频率特性好，可以工作到毫米波段，且集成度较高、尺寸较小。

薄膜固定衰减器的工艺流程如下：

版图设计→材料准备→溅射→光刻→电镀→二次光刻→退火→附着力评价→电阻测试→基片目检→划片→测试→入库。

2.3 设计

在材料与工艺都确定的情况下，本文从设计层面研究了宽带固定衰减器的实现思路，包括电路结构的分析和选择、电路模型的设计与确立、设计软件的仿真与对比等。通过不同设计思路的尝试和比较，在掌握各设计思路的优缺点的同时，得出了最优设计方法。

2.4 性能指标

由于不同电子设备对于衰减器衰减量及驻波的要求不同，研制时选取实际科研生产中需求量较大的衰减量，作为设计目标。

宽带固定衰减器设计指标有：外型尺寸为2.0×1.5×0.3mm，输入输出阻抗为50Ω；频率范围：DC ～18GHz；标称衰减量为3dB（Ta=+25℃）；衰减精度为±0.5dB；端口回波损耗≤-15dB。

3 理论依据和分析

3.1 电路结构分析

一般地，常用衰减器电路结构为T 型和π 型[2]（图1），这两种电路结构简单实用，可以作为初步设计的电路结构布局。比较二者，由于T 型结构中的通道电阻阻值很小，鉴于薄膜工艺的最小关键尺寸的限制，反映到设计中，需要占用较大的面积来实现相应的小阻值，这样不能满足设计要求的尺寸，同时增大了寄生效应，使得端口驻波恶化；而π 型结构中的电阻相对较大，缓解了设计尺寸与工艺尺寸的矛盾。同时，在微波频段，良好的接地可以减少寄生效应，使得端口驻波等指标随着频率的升高而恶化的现象有所减轻。由以上比较可知，π 型电路结构比T 型结构的电路更适合此次设计的要求。

图1：常用衰减器电路结构

3.2 阻值及材料分析

经过计算，图1 中π 型结构电路的电阻值分别为R1：18Ω；R2 ～R3：292Ω。薄膜电阻值的计算公式为：

式（1）中，ρ 是薄膜电阻的面电阻率，单位为Ω/■，简称方阻；L 是膜电阻的长度；W 是膜电阻的宽度。由式（1）可以计算出，薄膜电阻的外型尺寸。

决定电阻阻值随温度变化的主要因素是其电阻材料的特性。电阻材料主要参数有方阻和电阻温度系数等指标。方阻决定了某电阻的方数，电阻温度系数决定了衰减量的变化范围。反之，根据衰减量随温度变化范围可推算出大致的电阻温度系数。电阻的温度系数（TCR）可以用数学公式表示如下：

本文设计的衰减器所用的氮化钽电阻材料具有负温度特性，即随着温度的升高，电阻阻值会有一定程度的减小，反之增大的趋势。例如将氮化钽电阻材料的TCR 按-100 ppm/℃计算，在高温（Ta=+85℃）时，电阻阻值减小0.006Ω，在低温（Ta=-55℃）时，电阻阻值增加0.008Ω，可见电阻阻值在高低温环境下变化非常小，对衰减器的性能影响很小，电阻在高低温环境变化下的稳定性较好。

3.3 寄生效应分析[3]

虽然薄膜工艺具备了小型化的优点，但是由于工艺关键尺寸的限制，在微波应用尤其是X 波段以上，器件的寄生效应仍然严重恶化了衰减器的性能，本文在此就此情况进行适当的理论分析。

对高频电阻来说，在实际应用过程中，都会存在寄生电感和寄生电容等寄生效应，对于微波片式衰减器上的电阻，其等效电路可大致如图2所示。

图2：高频片式电阻等效电路

寄生电容C1、C2 的计算公式：

依据实际电路所需尺寸计算可得，寄生电容值较大，而寄生电感量较小。所以重点考虑对地电容所带来的寄生效应。由于寄生电容的存在，使得电路在高频时出现衰减变大，驻波变差的情况，因此，在设计过程中需要通过匹配电路设计拓展宽带应用。

4 软件设计及仿真

根据以上的分析，结合薄膜工艺的设计规则，本文建立了用于表贴的衰减器三维电路结构模型，其布局及其仿真结果如图3、图4所示。

图3：衰减器电路结构模型

图4：仿真结果

从仿真结果中可以看出，表贴装配衰减器，优化寄生效应，电路的应用频段很宽。在DC-20GHz 的频段内，衰减器表现出较好的衰减平坦度及端口驻波。

5 样品试制、测试与结果分析

实际制作出固定衰减器的外型尺寸为2.0×1.5×0.3mm，其外观如图5所示。利用自制的测试装置，对该组件进行装配测试，如图6所示。

图5：衰减器实物外观

图6：衰减器测试装置

将测试装置连接矢量网络测试仪进行测试，得到测试曲线，如图7所示。

图7：衰减器测试结果

通过衰减器测试结果可以看到，衰减器在表贴装配下在DC-20GHz 的频段范围内，具有良好的衰减平坦度及端口驻波特性。

通过对测试结果的分析发现，实际测试结果与仿真结果比较吻合，仿真对实际研制有很好的指导作用，但是仿真软件只是在理想情况下的估算，实测结果偏差分析如下：测试夹具的损耗导致实测衰减量的偏差，并随频率的升高而加大；软件建模与实测环境差别较大，导致仿真结果优于实测结果，表现出的性能（如衰减平坦度、回波损耗等指标）有所差异。

6 结论

此次对宽带固定衰减器的研制过程说明通过对电路布局优化设计，建模仿真，利用成熟可靠精细的薄膜工艺，研制微波片式固定衰减器是非常适用的，并且指标已经符合实用标准，可批量生产，同时具有继续开发新型衰减器产品的空间。关键问题就是抓住衰减电路结构的布局、尽量减小内部寄生参数的影响和充分利用仿真工具做指导，提高仿真结果与实测结果的一致性。此外，理论和设计经验也表明此类产品特别适合微波设备的功率衰减，并且各项技术指标以及外型均可根据用户要求灵活定制。