成都信息工程大学，四川 成都

收稿日期：2022年3月6日；录用日期：2022年3月19日；发布日期：2022年4月6日

摘要

衰减器是功率增益控制元件，运用于各种通信放大电路场景，对信号或者功率调节，以达到电路最优状态。在近几年科研人员共同努力下，MMIC技术已在各个方面有了突破，目前研究方向已往宽带、大功率等方向进发。本文涉及到的衰减器在实现国产化替代的同时，提供了大功率以及超宽带时的参考设计与具体流片。其裸片大小为1.2 × 1.0 mm，可满足QFN中2 × 2 mm的封装，衰减量为5 dB，频带范围DC-40GHz，功率承受力可达2 W。

关键词

DC-40GHz超宽带，固定衰减器，大功率，GaAs

Broadband High Power Attenuator Based on GaAs Substrate

Xiangyu Cheng, Chuang Wang

Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan

Received: Mar. 6^th, 2022; accepted: Mar. 19^th, 2022; published: Apr. 6^th, 2022

ABSTRACT

The attenuator is a power gain control element, which is used in various communication amplifier circuit scenarios to adjust the signal or power to achieve the optimal state of the circuit. With the joint efforts of scientific researchers in recent years, MMIC technology has made breakthroughs in various aspects, and the current research direction has moved towards broadband, high power and other directions. The attenuator involved in this paper provides a reference design and specific tape-out for high power and ultra-wideband while realizing localization. Its bare chip size is 1.2 × 1.0 mm, which can meet the 2 × 2 mm package in QFN, the attenuation is 5dB, the frequency band range is DC-40GHz, and the power tolerance can reach 2 W.

Keywords:DC-40GHz UWB, Fixed Attenuator, High Power, GaAs

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

GaAs单片微波集成电路(MMIC) [1] 具有体积小、重量轻、稳定性好，且在达到规模效应后，成本低的优点，在军事电子、卫星通信等各类军民领域有着广泛应用 [2]。而我国MMIC技术较国外落后，加之国外对先进技术的封锁，许多先进MMIC芯片依赖进口，交货时间长、价格昂贵，对我国国防军事、航天航空领域发展造成了阻碍。因此，研发国产MMIC芯片势在必行。近期，随着国产化进程的推进，国内已有不少相关论文 [3]、产品相继产出，但随着军事、卫星通讯等方面的快速发展，大功率、宽带应用的需要尤为突出，故，本文着重于设计与研发大功率宽带衰减器MMIC。GaAs基相比于Si基拥有更好的高频特性，这也是选用GaAs作为本设计基底的主要原因之一。

2. 衰减器原理与结构

2.1. 衰减器的结构

衰减器是两端口器件，主要用来控制电路传输功率的大小，在放大器，信号接收器，信号发送器等中都有应用 [4]，依据衰减量是否可变分为：固定衰减器和可变衰减器。可变衰减器非本文研究内容，不做赘述。固定衰减器仅由电阻构成，为功率吸收型衰减器，根据电阻结构排列分为T型(含桥T型)和π型两类 [5]，如图1、图2所示。

图1. T型衰减器拓扑结构

图2. π型衰减器拓扑结构

2.2. 衰减器的性能指标

对于各类衰减器，他们的评判性能指标的好坏都是一致的，以下为主要评判指标 [6]：

1) 工作频带

其是指所设计的衰减器可以正常工作的频率范围，一般来说，所设计衰减器可以正常工作的频率范围越宽，性能也就越好，也即工作范围越广，可以应用的场景也就越多。

2) 衰减量(插入损耗)

其为衰减器的主性能指标，在这里可以认为其就是插入损耗，直接衡量了对器件功率调节的多少，即信号在通过衰减器后，功率降低的多少，其大小等于衰减器输出端功率减去衰减器输入功率。

衰减器衰减量在频带中的稳定性主要取决于制作的材料与设计结构。

3) 平坦度

是指在指定频率范围内，衰减量的幅度变化值的多少，在达到标称值的同时，平坦度越低表示衰减量的变化越小，性能也就越好，对频率的敏感性也就越低，工作也就越稳定。

4) 回波损耗

回波损耗是反映输入、输出端口对于信号的匹配好坏的性能指标，常用负值表征，负值越小，性能越好，同时也可用驻波比(Standing Wave Ratio, SWR)来表示。驻波比越接近于1，其反射系数越小，代表信号能通过系统端口的性能越好。正如如今大多使用功率吸收型衰减器，而较少使用功率反射性衰减器，功率反射型衰减器的SWR较大，其性能较差。

5) 额定功率

因为衰减器的工作原理为通过电阻吸收功率，从而达到功率衰减的效果，功率也即能量的吸收必然产生热能，衰减器的结构确定后，额定功率也就确定了，超过设计衰减器的额定功率极有可能带来器件烧毁无法使用的后果，所以额定功率的大小，也代表了应用场景的多少。

2.3. 衰减器理论公式

利用转移矩阵与反射矩阵关系，可分别推导出T型衰减器与π型衰减器的电阻计算公式。

T型衰减器电阻值理论计算公式如下 [7] [8] [9]：

$c={10}^{\frac{A}{10}}$ (式1)

$R_1=R_2=Z_{in}\frac{\left|c-1\right|}{\sqrt{c}+1}-R_3$ (式2)

$R_3=\frac{2\sqrt{c\cdot Z_{in}\cdot Z_{out}}}{\left|c-1\right|}$ (式3)

c为由散射矩阵推出的衰减系数，A为衰减量， $Z_{in}$ 为输入阻抗， $Z_{out}$ 为输出阻抗。

π型衰减器电阻值理论计算公式如下：

$c={10}^{\frac{A}{10}}$ (式4)

$R_1=R_2={\left[\frac{c+1}{Z_{in}\cdot \left(c-1\right)}-\frac{1}{R_3}\right]}^{-1}$ (式5)

$R_3=\frac{\left(c-1\right)}{2}\sqrt{\frac{Z_{in}\cdot Z_{out}}{c}}$ (式6)

c为衰减系数，A为衰减量， $Z_{in}$ 为输入阻抗， $Z_{out}$ 为输出阻抗。

对比相同衰减值时(式1~3)与(式4~6)求得的电阻阻值，可发现T型衰减器电阻阻值小于π型衰减器电阻阻值，在设计中反而面积更大。且在相同情况下，π型衰减器接地较T型衰减器更好，可有效减少寄生效应，故使用π型进行衰减器设计。由(式4~6)可知，设计衰减值为5欧姆时的衰减器阻值分别为

$R_1=30.4\Omega$ (式7)

$R_2=R_3=178.5\Omega$ (式8)

3. 结构设计与仿真

3.1. 材料选择

在确定了基底为GaAs的情况下，由器件的工作原理决定，薄膜电阻材料的选择为衰减器设计中的关键一环，重点考虑以下方面 [9]：

1) 具有实际意义厚度和可控制的、可以得到的面电阻率(Ω/■)。

2) 较低的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)。

3) 紧密的阻值跟踪。

4) 在长时间使用中，受外界的影响和变化较小，比如在多次通电或者较高温度，造成的器件阻值的漂移。

常用的薄膜材料主要分为镍铬电阻与氮化钽电阻两类，两者的面电阻率都在25~300 (Ω/■)之间、TCR都较低，差别主要在于1000 h以上电阻漂移镍铬电阻(<2000 ppm)为氮化钽电阻材料(<1000 ppm)的一倍左右，但2000 ppm在实际使用中仍为一较小的值，再加之经济因素，本设计采用镍铬电阻材料作为薄膜电阻材料。

3.2. MMIC结构设计

在本文衰减器设计中，将π型结构展开为“H”型，好处是引入了更多分压支路，在增强了接地进一步减少寄生效应的同时，并且使散热面积增大且分布均匀，使散热更充分，减少由热效应引起的性能偏差、改善高频性能。电阻材料使用的是常用的NiCr材料。利用仿真设计软件，层级设置与仿真模型如下图3、图4，引出脚定义见表1：

图3. 衰减器MMIC层级设置

图4. 固定衰减器MMIC仿真模型(单位：μm)

表1. 引出脚定义

3.3. 衰减器MMIC仿真

根据固定衰减器原理以及分压公式，可知衰减量为−5 Ω时所需电阻大小，综合考虑损耗、误差、回波损耗后，将设计带入EMA软件中仿真，以得出仿真结果。

由图5电磁仿真可以看出，在DC-40GHz的频率范围，S(2, 1)位于−4.95 dB至−5.05 dB之间，平坦度很好，满足衰减量为−5 dB的插损要求，S(1, 1)位于−24.75 dB以下，很好的满足设计所需要的回波损耗，高频性能得以保证。

图5. 固定衰减器MMIC电磁仿真结果

为验证设计是否达到2W的承受功率，还需对衰减器电阻上的功率进行仿真分析，由于“H”型衰减器上下对称、左右对称，故利用仿真软件中的HB测试，只需测试三个电阻的功率，如图6(a)，图6(b)。在输入功率为34 dB时，位于“−”上的电阻在DC时通过功率最大，约为0.708 W，另两个电阻功率只取最大的验证，为40 GHz时的0.378 W。根据经验，设计线宽可满足2 W承受功率，且保有余量。

图6. (a) 各电阻获得功率(Freq = DC)仿真；(b) 各电阻获得功率(40 GHz)仿真

4. 成片与测试

4.1. 固定衰减器成片

衰减器实际成片如下图7：

图7. 固定衰减器MMIC成片

4.2. 高频测试

为保证测试结果的准确性，排除误差影响，在超净实验室内使用高精度探针台、矢网仪对裸片进行测试。

由图8，图9可知，在DC-40GHz内，5 dB衰减器裸片S(1, 1)为−24.5 dB以下，S(2, 1)为4.92~5.25 dB之间，误差在±0.25以内，符合设计要求，采用此设计结构可以很好的满足高频性能。

图8. 探针台与矢网仪

图9. 裸片实测数据

5. 结论

将设计与实测对比，结果基本一致，偏差部分是由测试探针中类金丝效应引起，属于正常误差范围。后据实际功率耐受测试结果，设计满足2 W最大承受功率，裸片大小为1.2 × 1.0 mm，可使用QFN中2 × 2 mm的封装，衰减量为5 dB，频带范围DC-40GHz。表明此设计可用于场景需要，达到实际应用要求；实际成品可以从实验阶段推入量产。

文章引用

程相豫,王 闯. 基于GaAs基底的宽带大功率衰减器
Broadband High Power Attenuator Based on GaAs Substrate[J]. 无线通信, 2022, 12(02): 13-20. https://doi.org/10.12677/HJWC.2022.122002

参考文献