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MMIC芯片衰减器的设计与检测

王聪玲;钟清华;龙立铨;张铎;张青

【摘要】本文提供了一种单片微波集成电路(MMIC)芯片衰减器,采用氮化钽薄膜作为电阻材料,利用嵌套掩膜刻蚀技术将芯片衰减器结构一层一层套刻在陶瓷基片上.主要研究了利用氮化钽薄膜电阻制作芯片衰减器的优点,结合HFSS仿真软件,建立3dB和10dB芯片衰减器的有限元模型,并对实物产品进行测试验证.试验结果表明:3dB芯片衰减器在DC～20GHz工作频率内有较好的衰减响应,回波损耗在整个宽频带内都小于-20dB,衰减量偏差在DC～12GHz工作频率内小于±0.3dB.10dB芯片衰减器在DC～20GHz工作频率内也有较好的衰减响应,回波损耗在整个宽频带内都小于-19dB,衰减量偏差在DC～12GHz工作频率内小于±0.35dB.

【期刊名称】《电子元件与材料》

【年(卷),期】2019(038)003

【总页数】5页(P86-90)

【关键词】嵌套掩膜刻蚀;HFSS仿真;MMIC芯片衰减器;氮化钽薄膜;回波损耗

【作者】王聪玲;钟清华;龙立铨;张铎;张青

【作者单位】中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018;贵州振华电子信息产业技术研究有限公司,贵州贵阳550018;中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018;中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018;中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018;中国振华集团云科电子有限公司,贵州贵阳550018

【正文语种】中文

【中图分类】TN715

单片微波集成电路MMIC[1-2]具有体积小、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等优点，已被广泛用于军用电子和民用电子工业中。而我国MMIC技术相对于国外来说发展比较缓慢，加上国外对先进技术的封锁，目前使用在射频/微波电路中的MMIC芯片衰减器都是从国外进口，价格昂贵、购货周期长，严重阻碍了我国航天航空事业以及高科技武器的发展。本文所涉及的芯片衰减器已经禁运，因此本工作是由国内某单位提出的芯片衰减器国产化替代而进行研制的。

衰减器是功率增益控制元件，用于电平调整的电路，比如放大器、信号接收器、信号发送器等，都需要对信号或者功率进行衰减调节。无论是在通信技术、雷达相控阵技术、射频技术，还是其他电子电路方面，只要有放大电路，几乎都离不开衰减器。目前市场上的衰减器主要有两种:一种是组合电路，最简单的纯电阻型衰减器也需要三个电阻，对于一些精度、稳定性等要求不高的电路，可以使用纯电阻电路、阻容电路或者阻抗电路组合的衰减电路[3];另一种是使用MMIC芯片衰减器[4-5]，主要应用在单片微波电路中，用于微波电路的无源衰减器要求分布参数小、应用频率范围宽、性能稳定可靠、指标重复性好、具有较强的抗干扰能力。

本文将单片微波技术与衰减器相结合，自主研制高性能、体积小、带宽宽、稳定性高的芯片衰减器。本文旨在采用氮化钽薄膜[6-10]作为电阻材料，利用嵌套掩膜刻蚀技术制作3dB和10dB芯片衰减器，并进行精准测试。

1芯片衰减器的原理及结构设计

1．1芯片衰减器的原理

衰减量(dB)固定不变的衰减器称为固定衰减器，衰减量在一定范围内可以调节的衰减器称为可变衰减器。芯片衰减器是固定衰减器中的一种，因此以固定衰减器为例介绍其设计方法。这种衰减器仅由电阻构成，根据其结构可分为T型和π型两种。根据电路两端阻抗使用的不同，又可分为同阻抗式和异阻抗式。本文所涉及的3dB和10dB芯片衰减器采用的是同阻抗式结构。

芯片衰减器是双端口结构，3dB衰减器电路利用T型电阻来设计，如图1所示。其中Z1、Z2即是电路输入、输出端的特性阻抗，Rs1和Rs2为输入输出端口间的电阻，Rp为接地电阻。

图1T型芯片衰减器电阻网络原理图Fig．1SchematicdiagramoftheresistornetworkofTchipattenuator

3dBT型同阻抗式(Z1=Z2=Z0)的理论电阻阻值:

式中:A为衰减量，单位dB;α为矩阵参量;Z0为特征阻抗。

10dB衰减器电路利用π型电阻来设计，如图2所示。其中，Z1、Z2是电路输入、输出端的特性阻抗，Rp1和Rp2为接地电阻，Rs为输入输出端口间的电阻。

图2π型芯片衰减器电阻网络原理图Fig．2Schematicdiagramoftheresistornetworkofπchipattenuator

10dBπ型同阻抗式(Z1=Z2=Z0)的理论电阻阻值:

1．2芯片衰减器的结构设计

本文结合国内外常用的固定衰减器电阻电极结构图形，设计了如图3所示3dB芯片衰减器的结构图形，国内外多数采用三颗独立的电阻构成T型网络或是π型网络[