基于高導熱陶瓷的功率分配器設計與制作

張曉 代書鵑 肖永平

（中科芯集成電路有限公司 江蘇省無錫市 214072）

1 引言

為適應相控陣技術(shù)的發(fā)展帶來的高效功率放大器發(fā)展的需要，集成型平面?zhèn)鬏斁€設計的功率分配器得到了快速的發(fā)展，但是這些功率分配器所能承受的功率容量是很有限的，在10W 及更高的使用功率、微波應用頻段，需要選擇高介電常數(shù)、高熱導率的陶瓷材料作為介質(zhì)基板[1],[2]。氧化鈹陶瓷具有高熱導率(300W/(m·K))、高強度、高絕緣性、高的化學和熱穩(wěn)定性、低介電常數(shù) (εr=6.8)、低介質(zhì)損耗(tanδ=0.0004)以及良好的工藝適用性等特點，能夠滿足現(xiàn)今對電子封裝基片材料的要求，在大功率半導體器件、集成電路及微波電真空器件中，一直都是制備高導熱元器件的主流陶瓷材料。本文詳細論證了氧化鈹陶瓷在X 頻段的微波介電性能并制作了功率分配器、Lange 電橋，實驗表明，氧化鈹陶瓷在X 頻段的性能優(yōu)良，滿足高頻、大功率條件的使用要求。

2 器件原理、建模及驗證

2.1 氧化鈹陶瓷基板微波介電性能仿真及測試驗證

本文采用Hakki-Coleman 法測試氧化鈹陶瓷基板的高頻介電性能，測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1：氧化鈹陶瓷基板的微波性能測試系統(tǒng)

通過諧振腔耦合方式測量氧化鈹陶瓷基板的微波性能。如公式所示，在微波范圍內(nèi)，對于組分一定的微波陶瓷介質(zhì)，其Q×f 值基本為一常數(shù)，不隨頻率的變化而發(fā)生變化。

通過實驗，測得10GHz 段下的氧化鈹陶瓷介電性能為：εr=6.8；tanδ=4×10-4，實驗結(jié)果表明，氧化鈹陶瓷在10GHz 頻率范圍內(nèi)，微波介電性能較好，滿足微波電路使用要求。

2.2 基于氧化鈹陶瓷基板的功率分配器及Lange電橋仿真及驗證

在微波系統(tǒng)中廣泛應用功率分配器將輸入功率分配到微波功率放大器、功放線性化、測試電路等各個支路中。本文利用Wilkinson 理論和多節(jié)阻抗變換器 ，選用微帶設計方法，結(jié)合ADS設計工具，完成電路設計的初始模型，并采用 HFSS 分析優(yōu)化電路模型，得到仿真分析結(jié)果[3],[4]；綜合考慮基板電路、接頭、腔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，迭代仿真獲得較優(yōu)的微波性能。同時，考慮到隔離功率電阻和散熱是寬帶大功率功率分配器能否實現(xiàn)功率指標的關(guān)鍵，對隔離電阻的材料及電性能進行了仿真優(yōu)化。

如圖2所示，采用單級功率合成網(wǎng)絡，利用HFSS 進行建模及仿真8 ～12GHz Wilkinson 功率分配器，仿真結(jié)果表明：插入損耗<3.2dB@8 ～12GHz，隔離度>17dB@8 ～12GHz，回波損耗>16dB@8 ～12GHz。此外，鑒于Lange 電橋常用于功率合成和功率分配電路，并因其結(jié)構(gòu)緊湊，可以在微帶結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)寬帶強耦合，本文設計了6-18GHz Lange 電橋，仿真結(jié)果表明附加損耗<0.4dB@6 ～18GHz，相位不平衡度<2.8°@6 ～18GHz，駐波>1.3dB@6 ～18GHz。

圖2：8 ～12GHz 功率分配器建模及仿真

3 分析與討論

采用薄膜濺射工藝制作了基于氧化鈹陶瓷基板的8-12GHz 功率分配器、6 ～18GHz Lange 電橋。為了方便調(diào)試功率分配器、Lange電橋的性能參數(shù)，制作了測試工裝，如圖3所示。

圖3：8 ～12GHz 功率分配器及6 ～18GHz lange 電橋

在裝配過程中，結(jié)合仿真設計，綜合考慮連接器的尺寸來實現(xiàn)同軸／微帶轉(zhuǎn)換電路、微帶線阻抗及線寬設計、連接器與微帶線之間的阻抗匹配等，通常設計容性補償來獲得良好的微波傳輸性能。

通過制作測試工裝，實現(xiàn)性能測試，8-12GHz 功率分配器、6 ～18GHz Lange 電橋測試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。結(jié)果表明：扣除接頭及軟基材損耗后，在8 ～12GHz 頻率范圍內(nèi)功率分配器插入損耗約0.3 ～0.5dB，相位差小于5°，帶內(nèi)駐波小于1.6，隔離度在大于12dB；氧化鈹陶瓷基板制作的6 ～18GHz Lange 電橋器插入損耗約為0.5 ～0.7dB，隔離度大于20dB，其相位不平衡度小于3°。

圖4：8 ～12GHz 功率分配器測試結(jié)果

圖5：6 ～18GHz Lange 電橋測試結(jié)果

4 結(jié)論

采用氧化鈹陶瓷作為基板材料，設計并制作了適合傳輸大功率信號功率分配器和Lange 電橋，經(jīng)測試分析，滿足大功率、高散熱要求條件下的使用。研究表明，氧化鈹陶瓷可以較好的應用于微波電路的設計當中以改善大功率器件的散熱難題。該產(chǎn)品的研制成功，為進一步研制更高工作頻率的大功率器件并解決其散熱問題提供了一定的經(jīng)驗參考，具有一定的指導意義。