Ka 波段寬帶薄膜匹配負(fù)載設(shè)計(jì)與制備研究*

王 磊，彭 斌，蔣洪川，王淵朝，李 凌，張萬里

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054)

隨著衛(wèi)星通信，雷達(dá)，航天等技術(shù)的不斷發(fā)展，促使微波器件和組件向著小型化、高頻化方向發(fā)展［1～2］。微波匹配負(fù)載作為微波電路組件和系統(tǒng)中廣泛使用的一類無源元件，它在微波電路中作為功率吸收元件主要起匹配負(fù)載和保護(hù)系統(tǒng)等作用［3］。目前大多數(shù)匹配負(fù)載采用厚膜工藝來制作，由于趨膚效應(yīng)的影響，當(dāng)使用頻率高于6 GHz 后，其阻值隨頻率變化比較大導(dǎo)致器件性能會(huì)有一定程度的惡化［4］。因此，隨著使用頻率提高，特別是到了Ka 波段，往往采用薄膜技術(shù)來制作微波匹配負(fù)載器件。然而現(xiàn)在關(guān)于Ka 波段的薄膜匹配負(fù)載的設(shè)計(jì)和制備卻少有報(bào)道［5］。

本文利用ADS 軟件，基于實(shí)頻法思想來設(shè)計(jì)Ka 波段薄膜匹配負(fù)載的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)［6］，并在HFSS 軟件中進(jìn)行了仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后采用絲網(wǎng)印刷和直流磁控濺射工藝制備了所設(shè)計(jì)的中心頻率為35 GHz，功率承載能力為10 W 的薄膜匹配負(fù)載。

1 器件設(shè)計(jì)

薄膜匹配負(fù)載一般由基板，電極和電阻膜3 部分構(gòu)成。基板一般選擇如BeO或AlN 等導(dǎo)熱性能好、介電常數(shù)較高的陶瓷材料，電極一般選擇導(dǎo)電性能良好的銀，電阻膜選擇抗腐蝕、性能穩(wěn)定的TaN材料。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 薄膜匹配負(fù)載基本結(jié)構(gòu)示意圖

衡量薄膜匹配負(fù)載性能的關(guān)鍵參數(shù)是電壓駐波比VSWR，其定義為:

其中，Γ為反射系數(shù)，ZL為負(fù)載阻抗，ZS為源阻抗［7］，本文是基于50Ω 的源阻抗來設(shè)計(jì)的。

為了獲得器件的最佳性能，需要在所設(shè)計(jì)的頻帶范圍內(nèi)反射系數(shù)盡量小。因此，需要ZL和ZS盡量相等，即阻抗要匹配，要使負(fù)載從輸入端看進(jìn)去的輸入阻抗ZL為50Ω。而在微波頻段，由于寄生電容或電感的存在，匹配負(fù)載難以在寬帶范圍內(nèi)達(dá)到良好的阻抗匹配。為了在Ka 波段較寬的帶寬上實(shí)現(xiàn)良好的匹配，本文采用實(shí)頻法的思想進(jìn)行寬帶匹配。

所謂實(shí)頻法就是利用一個(gè)二端口匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載與信號(hào)源之間的寬帶匹配的一種有效而實(shí)用的方法。本文直接利用負(fù)載的仿真實(shí)頻數(shù)據(jù)，不需要負(fù)載的解析表達(dá)式和模型，利用ADS 軟件里的Smith Chart 軟件進(jìn)行寬帶負(fù)載匹配［8］。其基本思路為:在所考慮的頻率范圍內(nèi)取若干代表性的點(diǎn)頻率Fi，利用HFSS 軟件仿真后計(jì)算出這些頻率點(diǎn)上電阻膜的輸入阻抗Zin。然后在ADS 軟件中設(shè)計(jì)合適的匹配網(wǎng)絡(luò)，使得在每個(gè)頻率點(diǎn)Fi上，從輸入端口看進(jìn)去的反射系數(shù)小于指定的設(shè)計(jì)值。

對(duì)于圖1所示的薄膜匹配負(fù)載，在HFSS 軟件里建立以氧化鈹為基板，銀為電極的仿真模型，其中，電阻膜采用方阻為100Ω/□的TaN 薄膜。根據(jù)TaN 薄膜單位面積能承受的功率設(shè)計(jì)電阻薄膜的尺寸為1.4 mm ×0.7 mm。然后在30 GHz～40 GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)其微波傳輸特性進(jìn)行仿真，可以得到電阻膜下端看進(jìn)去的輸入阻抗Zin與頻率的關(guān)系，如圖2所示。

從圖2 中可以看出，在30 GHz～33 GHz 范圍內(nèi)，輸入阻抗Zin的實(shí)部與虛部隨頻率變化比較大，寬帶匹配難度較大。而在33 GHz～37 GHz 內(nèi)輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩，易于實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，因此取該頻率范圍內(nèi)5個(gè)單獨(dú)頻率點(diǎn)的復(fù)阻抗值，如表1所示。

圖2 各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入阻抗

表1 5個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻膜輸入阻抗

根據(jù)表1 的輸入阻抗數(shù)據(jù)，本文在ADS 軟件中選擇π 型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為了便于實(shí)際的制備，僅僅采用并聯(lián)開路短截線和串聯(lián)短截線來構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，為了器件的小型化，在滿足設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上盡可能使用少的匹配枝節(jié)。圖3為在ADS 軟件中設(shè)計(jì)好的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖4為該匹配網(wǎng)絡(luò)分別連接上如表1所示的各個(gè)負(fù)載阻抗后，其散射參數(shù)S11隨頻率的變化曲線圖。從圖4 中可以看出，各個(gè)實(shí)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S11值都在－10 dB 以下，基本達(dá)到了匹配目標(biāo)。

圖3 阻抗匹配結(jié)構(gòu)圖

利用圖3所示的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在HFSS軟件里建立完整的薄膜匹配的仿真模型如圖5所示，經(jīng)過仿真并優(yōu)化后，所設(shè)計(jì)器件的電壓駐波比仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6 可以看出，在32 GHz～40GHz 的頻率范圍內(nèi)，薄膜匹配負(fù)載的電壓駐波比均小于1.2，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 各個(gè)實(shí)頻點(diǎn)的S11仿真結(jié)果圖

圖6 匹配負(fù)載的VSWR 仿真結(jié)果

2 薄膜匹配負(fù)載的制備與測試

根據(jù)最終優(yōu)化后得到的器件結(jié)構(gòu)，使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)首先在單面拋光的氧化鈹基板上沉積所設(shè)計(jì)的電極圖形。再利用直流磁控濺射技術(shù)和掩膜圖形技術(shù)制備所設(shè)計(jì)的TaN 電阻薄膜。最后將器件裝配在測試腔體上。圖7為制備好的薄膜匹配負(fù)載實(shí)物圖。

圖7 制備出的匹配負(fù)載的實(shí)物圖

利用Agilent E8363C 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了所制備的薄膜匹配負(fù)載的電壓駐波比VSWR，其結(jié)果如圖8所示。從圖8 中可以看出，在30.3 GHz～37.4 GHz 頻率范圍內(nèi)，匹配負(fù)載的電壓駐波比均小于1.3，與仿真結(jié)果基本一致，而在帶寬性能上與仿真結(jié)果稍有差距。分析誤差產(chǎn)生的主要原因如下:采用絲網(wǎng)印刷工藝來制作電極圖形會(huì)存在加工誤差，同時(shí)TaN 電阻薄膜采用掩模來獲得需要的圖形也存在對(duì)準(zhǔn)和誤差。在低頻段，這些誤差對(duì)測試的結(jié)果影響較小，然而在Ka 波段，微小的加工公差都會(huì)導(dǎo)致器件性能發(fā)生明顯的變化，從而導(dǎo)致最終測試結(jié)果與仿真結(jié)果有著一定的偏差。在后續(xù)的研究中，將采用光刻工藝來制備電極圖形以及TaN 薄膜圖形，以降低加工過程中引入的誤差，從而提高器件的性能。

圖8 器件的VSWR 測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和制備了Ka 波段的薄膜匹配負(fù)載。在ADS 軟件中，基于實(shí)頻法的基本思想來設(shè)計(jì)了寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬帶匹配，利用HFSS 軟件進(jìn)行了綜合仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了Ka 波段的寬帶薄膜匹配負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的薄膜匹配負(fù)載在30.3 GHz～37.4 GHz 的頻率范圍內(nèi)的電壓駐波比均小于1.3，帶寬達(dá)到7 GHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

［1］王文祥.微波工程技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］李緒益.微波技術(shù)與微波電路［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2009.

［3］司旭.DC-18GHz 微波功率薄膜電阻器的設(shè)計(jì)及制作［J］.微波學(xué)報(bào)，2011(1):74－77.

［4］WANG Xiuyu，ZHANG Zhisheng，BAI Tian，et al.Thin Film Chip Resistors with High Resistance and Low Temperature Coefficient of Resistance［J］.Trans.Tianjin Univ，2010，16:348－353.

［5］王超杰.TaN 薄膜材料及在微波功率薄膜電阻器中的應(yīng)用研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010.

［6］Yarman B S，Carlin H J.A Simplified“Real Frequency”Technique Applied to Broad-Band Multistage Microwave Amplifiers［J］.IEEE Trans，Microwave Theory Techniques，1982，30(12):2216－2222.

［7］Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko.王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.RF Circuit Design:Theory and Application［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［8］徐興福.ADS2008 射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.