不同特性材料制備的溫補衰減器的電性能研究

（中國振華集團 云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018）

在微波系統(tǒng)中，隨環(huán)境或系統(tǒng)溫度的升高，功率放大器增益下降，輸出功率降低，效率降低。傳統(tǒng)的解決方案一般采用自動增益控制電路，穩(wěn)定功率放大器的輸出功率，由于自動增益控制電路存在很多缺點，如在穩(wěn)定功率放大器輸出功率的同時，會產(chǎn)生非線性失真；產(chǎn)生相移和時延，同時自動增益控制電路存在可靠性差的問題。因此，在功率放大器系統(tǒng)中引入溫補衰減器，因其體積小、衰減量精度高等特點，可更好地實現(xiàn)功放的增益補償，使得功放的電路設(shè)計和制作變得簡單，同時易于功放的更新?lián)Q代，可減少系統(tǒng)再設(shè)計的隱性成本。

王萬一等[1]以厚膜微波π型衰減器為例，從工藝角度探討了此類衰減器的激光調(diào)阻方法；李陵等[2]采用磁控濺射的方法制備了TaN薄膜固定衰減器；Cuong等[3-4]采用TiN薄膜制備了3～6 GHz、最大功率25 W、衰減量為20 dB的微波固定衰減器；郭昕等[5]在多晶硅上設(shè)計并制備了10 dB微波衰減器；張青等[6]基于 π型衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計制備了 DC～6 GHz，衰減量為 3 dB，衰減量溫度系數(shù)為–0.005 dB/dB/℃的溫補衰減器。目前，對微波固定衰減器的研究居多，而對于在高頻下應(yīng)用的溫度補償衰減器的研制較為鮮見。

本文基于π型衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用具有正溫度系數(shù)的普通電阻漿料及熱敏電阻漿料，分別配合具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料，并結(jié)合厚膜印刷工藝，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 96%的 Al2O3陶瓷基板上制備衰減量為3 dB，衰減量溫度系數(shù)為–0.009 dB/dB/℃，頻率范圍為DC～12.4 GHz的溫度補償衰減器。對比分析不同材料制備的溫補衰減器在不同頻率下衰減量及駐波比的差異，以及1 GHz不同溫度下溫補衰減器的衰減量隨溫度變化的特性。

1 溫補衰減器結(jié)構(gòu)及樣品制備

π型衰減器的設(shè)計原理圖如圖1所示，其中R1、

圖1 π型對稱電阻網(wǎng)絡(luò)衰減器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The structure schematic diagram of the symmetrical resistance network attenuator with π type

R3是正溫度系數(shù)的熱敏電阻，阻值相同，R2是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，輸入輸出阻抗50 Ω，根據(jù)產(chǎn)品的特征阻抗及衰減量，利用公式(1)、公式(2)分別計算出室溫下R1、R2的電阻值分別為292.72 Ω、17.59 Ω。溫度補償系數(shù)是溫補衰減器的另一重要指標(biāo)，其表征的是溫補衰減器在工作溫度范圍內(nèi)，衰減量隨溫度變化的特性，其計算公式如公式(3)所示。通過公式(1)、(2)、(3)計算得到不同溫度下 R1、R2的電阻值。從–55～125 ℃溫度范圍內(nèi)，每隔 20 ℃取一計算結(jié)果，計算結(jié)果如表1所示。

電阻計算公式[7]：

式中：A為衰減量，單位dB；Z0為特征阻抗。衰減量溫度系數(shù)計算公式：

式中：ΔT為溫度變化量，單位℃；ΔA為衰減量變化量，單位dB。

表1 R1、R2隨溫度變化的理論電阻值Tab.1 R1 and R2 values with temperature changes

根據(jù)表1的計算結(jié)果，選擇合適的正溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料及負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料，本文采用正溫度系數(shù)相同的含釕普通電阻漿料及含銅的熱敏電阻漿料，分別與同一負(fù)溫度系數(shù)的含銅熱敏電阻漿料搭配，制備衰減量為3 dB、衰減量溫度系數(shù)為–0.009 dB/dB/℃的溫補衰減器，用普通電阻漿料制備R1的溫補衰減器編號樣品1，用熱敏電阻漿料制備R1的溫補衰減器編號樣品2。制備流程為：首先在厚度為0.3 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%的Al2O3的陶瓷基板上絲印銀鈀電極，將正溫度系數(shù)的電阻漿料與負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料印刷到帶有電極的基板上，使電阻R1、R3的膜厚控制在20 μm±3 μm的范圍內(nèi)，電阻R2的膜厚控制在20 μm±6 μm的范圍內(nèi)，經(jīng)激光調(diào)阻后，使R1、R2電阻值達到室溫計算值，最后印刷樹脂絕緣包封層及標(biāo)志。制備出的溫補衰減器的實物圖如圖2所示。

圖2 溫補衰減器實物圖Fig.2 The picture of temperature compensation attenuator

將制備出的溫補衰減器安裝在專用測試夾具中，并放入高低溫濕熱箱中，采用Rohde & Schwardz公司ZNB40型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其25 ℃下衰減量、駐波比及–25～125 ℃溫度范圍內(nèi)衰減量隨溫度的變化特性曲線。

2 結(jié)果與討論

溫補衰減器樣品1和樣品2的衰減量隨頻率變化曲線分別如圖3、圖4所示。從圖3可看出，用正溫度系數(shù)普通電阻漿料與負(fù)溫度系數(shù)電阻漿料搭配制備的溫補衰減器樣品1，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，衰減量隨著頻率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下樣品1的衰減量為–2.9175 dB。從圖4可看出，用與樣品1正溫度系數(shù)相同的熱敏電阻漿料與同一負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻漿料制備的溫補衰減器樣品2，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，衰減量隨著頻率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下樣品1的衰減量為–2.9312 dB。對比圖3、圖4可得出結(jié)論：采用正溫度系數(shù)相同的普通電阻漿料及熱敏電阻漿料，分別與同一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料搭配，制備衰減量為3 dB、衰減量溫度系數(shù)為–0.009 dB/dB/℃的溫補衰減器，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，衰減量隨頻率變化趨勢一致，隨著頻率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下衰減量接近。

圖3 溫補衰減器樣品1衰減量隨頻率變化曲線Fig.3 The attenuation changing curve of temperature compensation attenuator sample 1 with frequency

圖4 溫補衰減器樣品2衰減量隨頻率變化曲線Fig.4 The attenuation changing curve of temperature compensation attenuator sample 2 with frequency

溫補衰減器樣品1和樣品2的駐波比隨頻率變化曲線分別如圖5、圖6所示。從圖5可看出，在DC～7 GHz頻率范圍內(nèi)，樣品1的駐波比均小于1.3，而在9 GHz及12.4 GHz下，其駐波比均大于1.3，在12.4 GHz下的駐波比約為1.5。從圖6可看出，在DC～12.4 GHz頻率范圍內(nèi)，樣品2的駐波比均小于1.3。對比圖5、圖6可得出結(jié)論：采用相同正溫度系數(shù)熱敏電阻漿料與同一負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻漿料搭配，制備衰減量為 3 dB、衰減量溫度系數(shù)為–0.009 dB/dB/℃的溫補衰減器，25 ℃下，其高頻性能更好。

圖5 溫補衰減器樣品1駐波比隨頻率變化曲線Fig.5 VSWR changing curve of temperature compensation attenuator sample 1 with frequency

圖6 溫補衰減器樣品2駐波比隨頻率變化曲線Fig.6 VSWR changing curve of temperature compensation attenuator sample 2 with frequency

圖 7、圖 8分別是溫補衰減器樣品 1和樣品 2在 1 GHz下，衰減量隨溫度的變化曲線。在–55～125 ℃的溫度范圍，將衰減量隨溫度變化的曲線擬合成直線，并利用公式（3）計算溫補衰減器樣品1和樣品2的衰減量溫度系數(shù)TCA。從圖8、圖9可看出，通過線性擬合并計算得到樣品 1和樣品 2的衰減量溫度系數(shù)接近，樣品1的衰減量溫度系數(shù)為–0.0091 dB/dB/℃，樣品 2的衰減量溫度系數(shù)為–0.0095 dB/dB/℃，均符合指標(biāo)要求。

圖7 溫補衰減器樣品1衰減量隨溫度變化曲線(@1 GHz)Fig.7 The attenuation curves of temperature compensation microwave attenuator (sample 1) with the temperature changing(@1 GHz)

圖8 溫補衰減器樣品2衰減量隨溫度變化曲線(@1 GHz)Fig.8 The attenuation curves of temperature compensation microwave attenuator (sample 2) with the temperature changing(@1 GHz)

3 結(jié)論

采用正溫度系數(shù)相同的普通電阻漿料及熱敏電阻漿料，分別與同一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻漿料搭配，制備衰減量為3 dB、衰減量溫度系數(shù)為–0.009 dB/dB/℃的溫補衰減器，分別編號樣品1和樣品2，測試結(jié)果表明：

（1）樣品1、樣品2在25 ℃下，DC～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)，衰減量隨頻率變化趨勢一致，隨著頻率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下衰減量接近；

（2）25 ℃下，樣品2的高頻性能更好；

（3）樣品 1的衰減量溫度系數(shù)為–0.0091 dB/dB/℃，樣品 2的衰減量溫度系數(shù)為–0.0095 dB/dB/℃，均符合指標(biāo)要求。

參考文獻：

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