不同特性材料制备的温补衰减器的电性能研究

（中国振华集团 云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018）

在微波系统中，随环境或系统温度的升高，功率放大器增益下降，输出功率降低，效率降低。传统的解决方案一般采用自动增益控制电路，稳定功率放大器的输出功率，由于自动增益控制电路存在很多缺点，如在稳定功率放大器输出功率的同时，会产生非线性失真；产生相移和时延，同时自动增益控制电路存在可靠性差的问题。因此，在功率放大器系统中引入温补衰减器，因其体积小、衰减量精度高等特点，可更好地实现功放的增益补偿，使得功放的电路设计和制作变得简单，同时易于功放的更新换代，可减少系统再设计的隐性成本。

王万一等[1]以厚膜微波π型衰减器为例，从工艺角度探讨了此类衰减器的激光调阻方法；李陵等[2]采用磁控溅射的方法制备了TaN薄膜固定衰减器；Cuong等[3-4]采用TiN薄膜制备了3～6 GHz、最大功率25 W、衰减量为20 dB的微波固定衰减器；郭昕等[5]在多晶硅上设计并制备了10 dB微波衰减器；张青等[6]基于 π型衰减网络结构设计制备了 DC～6 GHz，衰减量为 3 dB，衰减量温度系数为–0.005 dB/dB/℃的温补衰减器。目前，对微波固定衰减器的研究居多，而对于在高频下应用的温度补偿衰减器的研制较为鲜见。

本文基于π型衰减网络结构，采用具有正温度系数的普通电阻浆料及热敏电阻浆料，分别配合具有负温度系数的热敏电阻浆料，并结合厚膜印刷工艺，在质量分数为 96%的 Al2O3陶瓷基板上制备衰减量为3 dB，衰减量温度系数为–0.009 dB/dB/℃，频率范围为DC～12.4 GHz的温度补偿衰减器。对比分析不同材料制备的温补衰减器在不同频率下衰减量及驻波比的差异，以及1 GHz不同温度下温补衰减器的衰减量随温度变化的特性。

1 温补衰减器结构及样品制备

π型衰减器的设计原理图如图1所示，其中R1、

图1 π型对称电阻网络衰减器结构原理图Fig.1 The structure schematic diagram of the symmetrical resistance network attenuator with π type

R3是正温度系数的热敏电阻，阻值相同，R2是负温度系数的热敏电阻，输入输出阻抗50 Ω，根据产品的特征阻抗及衰减量，利用公式(1)、公式(2)分别计算出室温下R1、R2的电阻值分别为292.72 Ω、17.59 Ω。温度补偿系数是温补衰减器的另一重要指标，其表征的是温补衰减器在工作温度范围内，衰减量随温度变化的特性，其计算公式如公式(3)所示。通过公式(1)、(2)、(3)计算得到不同温度下 R1、R2的电阻值。从–55～125 ℃温度范围内，每隔 20 ℃取一计算结果，计算结果如表1所示。

电阻计算公式[7]：

式中：A为衰减量，单位dB；Z0为特征阻抗。衰减量温度系数计算公式：

式中：ΔT为温度变化量，单位℃；ΔA为衰减量变化量，单位dB。

表1 R1、R2随温度变化的理论电阻值Tab.1 R1 and R2 values with temperature changes

根据表1的计算结果，选择合适的正温度系数的热敏电阻浆料及负温度系数的热敏电阻浆料，本文采用正温度系数相同的含钌普通电阻浆料及含铜的热敏电阻浆料，分别与同一负温度系数的含铜热敏电阻浆料搭配，制备衰减量为3 dB、衰减量温度系数为–0.009 dB/dB/℃的温补衰减器，用普通电阻浆料制备R1的温补衰减器编号样品1，用热敏电阻浆料制备R1的温补衰减器编号样品2。制备流程为：首先在厚度为0.3 mm，质量分数为96%的Al2O3的陶瓷基板上丝印银钯电极，将正温度系数的电阻浆料与负温度系数的热敏电阻浆料印刷到带有电极的基板上，使电阻R1、R3的膜厚控制在20 μm±3 μm的范围内，电阻R2的膜厚控制在20 μm±6 μm的范围内，经激光调阻后，使R1、R2电阻值达到室温计算值，最后印刷树脂绝缘包封层及标志。制备出的温补衰减器的实物图如图2所示。

图2 温补衰减器实物图Fig.2 The picture of temperature compensation attenuator

将制备出的温补衰减器安装在专用测试夹具中，并放入高低温湿热箱中，采用Rohde & Schwardz公司ZNB40型矢量网络分析仪测试其25 ℃下衰减量、驻波比及–25～125 ℃温度范围内衰减量随温度的变化特性曲线。

2 结果与讨论

温补衰减器样品1和样品2的衰减量随频率变化曲线分别如图3、图4所示。从图3可看出，用正温度系数普通电阻浆料与负温度系数电阻浆料搭配制备的温补衰减器样品1，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的频率范围内，衰减量随着频率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下样品1的衰减量为–2.9175 dB。从图4可看出，用与样品1正温度系数相同的热敏电阻浆料与同一负温度系数热敏电阻浆料制备的温补衰减器样品2，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的频率范围内，衰减量随着频率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下样品1的衰减量为–2.9312 dB。对比图3、图4可得出结论：采用正温度系数相同的普通电阻浆料及热敏电阻浆料，分别与同一负温度系数的热敏电阻浆料搭配，制备衰减量为3 dB、衰减量温度系数为–0.009 dB/dB/℃的温补衰减器，在25 ℃下，DC～12.4 GHz的频率范围内，衰减量随频率变化趋势一致，随着频率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下衰减量接近。

图3 温补衰减器样品1衰减量随频率变化曲线Fig.3 The attenuation changing curve of temperature compensation attenuator sample 1 with frequency

图4 温补衰减器样品2衰减量随频率变化曲线Fig.4 The attenuation changing curve of temperature compensation attenuator sample 2 with frequency

温补衰减器样品1和样品2的驻波比随频率变化曲线分别如图5、图6所示。从图5可看出，在DC～7 GHz频率范围内，样品1的驻波比均小于1.3，而在9 GHz及12.4 GHz下，其驻波比均大于1.3，在12.4 GHz下的驻波比约为1.5。从图6可看出，在DC～12.4 GHz频率范围内，样品2的驻波比均小于1.3。对比图5、图6可得出结论：采用相同正温度系数热敏电阻浆料与同一负温度系数热敏电阻浆料搭配，制备衰减量为 3 dB、衰减量温度系数为–0.009 dB/dB/℃的温补衰减器，25 ℃下，其高频性能更好。

图5 温补衰减器样品1驻波比随频率变化曲线Fig.5 VSWR changing curve of temperature compensation attenuator sample 1 with frequency

图6 温补衰减器样品2驻波比随频率变化曲线Fig.6 VSWR changing curve of temperature compensation attenuator sample 2 with frequency

图 7、图 8分别是温补衰减器样品 1和样品 2在 1 GHz下，衰减量随温度的变化曲线。在–55～125 ℃的温度范围，将衰减量随温度变化的曲线拟合成直线，并利用公式（3）计算温补衰减器样品1和样品2的衰减量温度系数TCA。从图8、图9可看出，通过线性拟合并计算得到样品 1和样品 2的衰减量温度系数接近，样品1的衰减量温度系数为–0.0091 dB/dB/℃，样品 2的衰减量温度系数为–0.0095 dB/dB/℃，均符合指标要求。

图7 温补衰减器样品1衰减量随温度变化曲线(@1 GHz)Fig.7 The attenuation curves of temperature compensation microwave attenuator (sample 1) with the temperature changing(@1 GHz)

图8 温补衰减器样品2衰减量随温度变化曲线(@1 GHz)Fig.8 The attenuation curves of temperature compensation microwave attenuator (sample 2) with the temperature changing(@1 GHz)

3 结论

采用正温度系数相同的普通电阻浆料及热敏电阻浆料，分别与同一负温度系数的热敏电阻浆料搭配，制备衰减量为3 dB、衰减量温度系数为–0.009 dB/dB/℃的温补衰减器，分别编号样品1和样品2，测试结果表明：

（1）样品1、样品2在25 ℃下，DC～12.4 GHz的频率范围内，衰减量随频率变化趋势一致，随着频率的升高而增大，其中25 ℃、1 GHz下衰减量接近；

（2）25 ℃下，样品2的高频性能更好；

（3）样品 1的衰减量温度系数为–0.0091 dB/dB/℃，样品 2的衰减量温度系数为–0.0095 dB/dB/℃，均符合指标要求。

参考文献：

[1]王万一, 邹建安, 周锐.厚膜微波衰减器调阻工艺探讨[J]. 集成电路通讯, 2006, 24(3): 26-29.

[2]李凌, 王磊, 彭斌, 等. 12 dB微波薄膜衰减器的设计与制备 [J]. 电子元件与材料, 2012, 31(3): 65-67.

[3]CUONG N D,YOON S G. Ti(N) thin film resistors for 20dB π-type attenuator applications [J]. Appl Phys Lett,2007, 90(18): 3506-3508.

[4]CUONG N D, YOON S G. Realization of 20dB π-type attenuator using Ti(N) thin film resistors for the fourth generation of mobile telecommunications [J]. Appl Phys Lett, 2007, 91(20): 3502-3504.

[5]郭昕, 李孟委, 龚著浩, 等. 基于π型多晶硅电阻网络的片上衰减器 [J]. 清华大学学报(自然科学版), 2015,55(11): 1264-1268.

[6]张青, 罗彦军, 朱雪婷, 等. DC～6 GHz厚膜温度补偿衰减器的设计与制备 [J]. 电子元件与材料, 2016, 35(8):69-71.

[7]OTTO S, BETTRAY A, SOLBACH K. A distributed attenuator for k-band using standard SMD thin-film chip resistors [C]//Microwave Conference, Asia Pacific. NY,USA: IEEE, 2009: 2148-2151.