CN113268912A - 一种分布式电阻衰减器的设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波无源器件领域，提供了一种分布式电阻衰减器的设计优化方法，本发明通过优化分布式电阻衰减器的端口反射系数以获得所需的薄膜电阻方阻值，以及根据目标衰减值模拟选择合适的薄膜电阻宽度。相较于现有技术中基于多种变量的情况下同时模拟仿真，本发明可单独分别通过优化分布式电阻衰减器的端口反射系数以获得所需的薄膜电阻方阻值，然后在目标方阻值一定的情况下根据目标衰减值选择合适的薄膜电阻宽度，简化了仿真难度，该分布式电阻衰减器设计优化方法有利于减小衰减器的物理尺寸，降低分布参数对衰减频率响应的影响，所设计的衰减器的工作频宽更宽，适用性更强。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件领域，尤其涉及一种分布式电阻衰减器的设计优化方法。
背景技术
衰减器是一种提供衰减的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，它的主要用途包括：调整电路中信号的大小；在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。衰减器也是用于验证散射参数测量系统的传输系数的必要元件。
现有衰减器通常是由Π型或T型电阻网络构成，通过选择适当的电阻值来构建具有特定输入和输出阻抗的衰减值，如图1所示。但是，Π型或T型电阻网络构成的衰减器对于电阻阻值有要求，在实际制作时用薄膜电阻制作，存在长宽比较大的情况，因此，对于片上薄膜电阻在方阻一定的情况下只能通过调节长宽比才能实现特定阻值。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种分布式电阻衰减器的设计优化方法，当需要在特定的特性阻抗下设计衰减值时，通过保形映射方法确定等效电路中薄膜电阻的长宽比，然后选择适当的方阻，便可以获得相应网络所需的电阻值，其衰减单元的衰减值和端口阻抗取决于薄膜电阻块与导体之间的接触长度、薄膜电阻的长宽以及方阻，该分布式电阻衰减器设计优化方法有利于减小衰减器的物理尺寸，降低分布参数对衰减频率响应的影响。
具体的，主要通过以下技术方案来实现：
一种分布式电阻衰减器的设计优化方法，包括：
基于电磁仿真软件建立分布式电阻衰减器的仿真模型，该模型由共面波导和薄膜电阻块组成，利用所述仿真模型在预设方阻值范围内调节所述薄膜电阻的方阻值大小，将所述分布式电阻衰减器的最优端口反射系数所对应的方阻值作为薄膜电阻所需的目标方阻值；
基于预先设定的所述分布式电阻衰减器的目标衰减值和目标方阻值确定薄膜电阻所需的目标宽度值；
根据目标衰减值、目标方阻值和目标宽度值设计所述分布式电阻衰减器。
本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
本发明通过预先设定衰减器的目标衰减值，基于电磁仿真软件建立分布式电阻衰减器的仿真模型，利用所述仿真模型在预设方阻值范围内调节所述薄膜电阻的方阻值大小，将所述分布式电阻衰减器的最优端口反射系数所对应的方阻值作为薄膜电阻所需的目标方阻值；确定目标方阻值的情况下，基于预先设定的所述分布式电阻衰减器的目标衰减值确定薄膜电阻所需的目标宽度值；根据目标衰减值、目标方阻值和目标宽度值即可设计分布式电阻衰减器。本发明通过优化分布式电阻衰减器的端口反射系数以获得所需的薄膜电阻方阻值，以及根据目标衰减值模拟选择合适的薄膜电阻宽度。相较于现有技术中基于多种变量的情况下同时模拟仿真，本发明可单独分别通过优化分布式电阻衰减器的端口反射系数以获得所需的薄膜电阻方阻值，然后在目标方阻值一定的情况下根据目标衰减值选择合适的薄膜电阻宽度，简化了仿真难度，该分布式电阻衰减器设计优化方法有利于减小衰减器的物理尺寸，降低分布参数对衰减频率响应的影响，使所设计的衰减器的工作频宽更宽，适用性更强。
附图说明
1、图1为现有技术中Π型电阻衰减网络示意图(a)，以及T型电阻衰减网络示意图(b)；
2、图2为本发明实施例提供的仿真模型图；
3、图3(a)为本发明实施例提供的不同方阻值衰减器的端口反射系数仿真图，3(b)为本发明实施例提供的不同方阻值衰减器的端口传输系数仿真图；
4、图4(a)为本发明实施例提供的不同薄膜电阻宽度衰减器的端口反射系数仿真图，4(b)为本发明实施例提供的不同薄膜电阻宽度衰减器的端口传输系数仿真图；
5、图5为本发明实施例提供的在GaAs基底上流片不同衰减量单元的传输系数测量结果；
6、图6为本发明实施例提供的在GaAs基底上流片不同衰减量单元的反射系数测量结果。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。
本发明提供了一种分布式电阻衰减器的设计优化方法，包括：
基于电磁仿真软件建立分布式电阻衰减器的仿真模型，该模型由共面波导和薄膜电阻块组成，利用所述仿真模型在预设方阻值范围内调节所述薄膜电阻的方阻值大小，将所述分布式电阻衰减器的最优端口反射系数所对应的方阻值作为薄膜电阻所需的目标方阻值；
基于预先设定的所述分布式电阻衰减器的目标衰减值和目标方阻值确定薄膜电阻所需的目标宽度值；
根据目标衰减值、目标方阻值和目标宽度值设计所述分布式电阻衰减器。
需要说明的是，所述仿真模型如图2所示，包括衬底、共面波导和薄膜电阻块。
下面以采用氧化铝陶瓷基板的10dB衰减器设计为例进行说明：
采用50欧姆共面波导，其具体几何参数如下表1所示：
| Name | Description | Unit | Value |
| W | 中心导体宽度 | um | 50 |
| G | 中心导体和地间距 | um | 20 |
| L | 共面波导长度 | um | 350 |
| T | 金属层厚度 | um | 0.6 |
| H | 衬底厚度 | um | 100 |
| G_W | 地导体宽度 | um | 127 |
表1
本发明实施例采用基于有限元方法的电磁仿真软件HFSS建立分布式电阻衰减器的仿真模型，HFSS是Ansys公司的有限元仿真软件，一种广泛使用的电磁仿真软件。
优化衰减器的反射系数以获得所需的电阻薄膜方阻：
采用氮化钽电阻薄膜方阻，氮化钽是一种薄膜工艺的常用电阻材料，TaN薄膜方阻可以在数十Ω/sq至数百Ω/sq的范围内调节。为了简化流片工艺，在同一晶圆通常将其调整为同一个方阻值。利用仿真模型在预设方阻值范围内调节薄膜电阻的方阻值大小，氮化钽电阻薄膜预设方阻值范围为60～140Ω/sq，仿真扫描频率范围设置为1GHz至110GHz，共101个点，并且将扫描模式选择为离散模式。电阻薄膜的方阻设置为60Ω/sq到140Ω/sq，变化步长为20Ω/sq。如图3所示，从仿真结果来看，随着电阻薄膜方阻的变化，衰减器端口的传输系数变化很小。相反，端口的反射系数变化很大。当方阻为100Ω/sq时，反射系数最小。反射系数主要决定于薄膜电阻的方阻，因此，该值是所需的方阻值。即，将所述分布式电阻衰减器的最优端口反射系数(最小反射系数)所对应的方阻值作为薄膜电阻所需的目标方阻值。
根据所需的衰减值选择合适的电阻单元宽度：
衰减值主要取决于薄膜电阻与金属导体的接触尺寸。设计氧化铝陶瓷基板的衰减器，其衰减值设为10dB，目标方阻值为100Ω/sq，利用所述仿真模型在预设宽度值范围内调节所述薄膜电阻块的宽度值大小，观察衰减值的变化。如图4所示，经过上述优化过程后，确定了薄膜电阻元件的方阻，更改薄膜电阻块的宽度，观察衰减值的变化。该参数的变化实质上改变了薄膜电阻与导体之间的接触长度，同时增加了电流流向接地层的距离。薄膜电阻的宽度范围为9um至49um，当薄膜电阻宽度变化时，衰减器的反射系数变化很小，始终处于较好的50欧姆匹配状态。但是，衰减器的传输系数已发生很大变化，两者之间的关系大致呈线性关系。因此，根据所要设计的衰减器衰减值确定薄膜电阻宽度为29um。
最后，根据目标衰减值、目标方阻值和目标宽度值在GaAs(砷化镓)晶圆上设计一些列所述分布式电阻衰减器，并进行GaAs衬底散射参数性能验证芯片流片，并在晶圆上设计了不同长度的共面波导，以实现片上multi-line TRL(多线直通-反射-线)校准。使用带有两个150um Infinity探针和Anritsu 1.0mm矢量网络分析仪进行测量，经测量结果表明，与常用的Π型或T型电阻网络衰减器相比分布式电阻衰减器有着更宽的频率范围。具体的，设计带有1.0mm同轴Infinity探头的测量平台，首先执行多线TRL校准以校正探针尖端的误差。然后对衰减器进行测量，测量结果如图5～6所示，对于片上测量，传输量高频的起伏很大程度是由于探针间的耦合造成的，这种耦合量在不同的测试场景下大小是不一样的，因此对于研制的衰减器仅选择平坦区域用于系统性能的验证件。这里测量结果表明30dB以内的衰减器在67GHz具有很好的平坦度，这个范围可以保证没有探针间的耦合效应可以应用于系统性能检验。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (1)
1.一种分布式电阻衰减器的设计优化方法，其特征在于，包括：
基于电磁仿真软件建立分布式电阻衰减器的仿真模型，该模型由共面波导和薄膜电阻块组成，利用所述仿真模型在预设方阻值范围内调节所述薄膜电阻的方阻值大小，将所述分布式电阻衰减器的最优端口反射系数所对应的方阻值作为薄膜电阻所需的目标方阻值；
基于预先设定的所述分布式电阻衰减器的目标衰减值和目标方阻值确定薄膜电阻所需的目标宽度值；
根据目标衰减值、目标方阻值和目标宽度值设计所述分布式电阻衰减器。
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