CN117317555A - 一种平面结构毫米波宽带大功率负载 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面结构毫米波宽带大功率负载，包括键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、T型3dB衰减器、衰减器输出匹配电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路、阵列金属化接地通孔以及介质基片；键合补偿电路用于补偿外部键合金丝所引入的寄生电感，衰减器输入匹配与输出匹配电路以及负载匹配电路分别用于衰减器的输入输出匹配及阶梯形负载的输入匹配，以实现宽带匹配；T型3dB衰减器与阶梯型负载电路各吸收一半功率，并转化为热能，实现功率的分布耗散，再由高热导率的介质基片提供散热通道，以实现高功率容量。本发明具有带宽宽，频率高，功率容量大，回波好，易于集成的优点，在毫米波测试仪器、通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面结构毫米波宽带大功率负载，属于毫米波负载技术领域。
背景技术
负载作为一种单端口无源器件，可作为独立器件用于测试系统中，也可与耦合器、功分器等结合用于功率合成、信号耦合等场合。
目前的大功率匹配负载多为矩形波导或同轴波导结构，其体积、重量较大，难以适应电子系统高度集成化的需求。而现有微带平面结构负载大多功率容量较小，工作频率较低，难以直接应用于毫米波频段。
毫米波频段大功率负载的设计难点在于：为了提高负载功率容量，需要尽量增加电阻材料的表面积从而提高散热效果。然而，电阻材料的表面积增大又会导致其寄生参数增加，从而恶化其高频性能，难以在毫米波频段同时实现宽带匹配与大功率容量。
因此，本发明针对上述难点提出了一种便于平面集成的毫米波频段宽带大功率负载结构，可有效解决上述难题。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种平面结构毫米波宽带大功率负载。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种平面结构毫米波宽带大功率负载，包括：键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、衰减器输出匹配电路、T型3dB衰减器电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路，以及介质基片，并按照键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、T型3dB衰减器电路、衰减器输出匹配电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路的顺序依次串联蚀刻于介质基片上，所述T型3dB衰减器电路中的并联薄膜电阻的自由端连接有第一阵列金属化接地通孔，所述阶梯型负载电路中的末端薄膜电阻的自由端连接有第二阵列金属化接地通孔。
作为优选方案，所述第一阵列金属化接地通孔为T型3dB衰减器电路提供接地。
作为优选方案，所述第二阵列金属化接地通孔为阶梯型负载电路提供接地。
作为优选方案，所述键合补偿电路由多根高低阻抗线串联而成。
作为优选方案，所述衰减器输入匹配电路由多段阻抗渐变微带线串联而成。
作为优选方案，所述衰减器输出匹配电路由多段阻抗渐变微带线串联而成。
作为优选方案，所述T型3dB衰减器电路包括：第一串联薄膜电阻，第二串联薄膜电阻，微带线，并联薄膜电阻，所述微带线两侧分别连接有第一串联薄膜电阻，第二串联薄膜电阻，微带线底端连接有并联薄膜电阻。
作为优选方案，所述负载匹配电路由多段高低阻抗微带线串联而成。
作为优选方案，所述阶梯型负载电路由多片矩形形状的薄膜电阻按阶梯型结构连接而成，阶梯型结构底部的薄膜电阻设置为末端薄膜电阻。
作为优选方案，所述第一阵列金属化接地通孔由多个接地通孔并联而成。
作为优选方案，所述第二阵列金属化接地通孔由多个接地通孔并联而成。
有益效果：本发明提出的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，包括键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、T型3dB衰减器电路、衰减器输出匹配电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路、阵列金属化接地通孔以及介质基片；键合补偿电路用于补偿外部键合金丝所引入的寄生电感，衰减器输入匹配电路与衰减器输出匹配电路以及负载匹配电路分别用于衰减器的输入输出匹配及阶梯形负载的宽带输入匹配；在信号传递过程中，由 T型3dB衰减器中的薄膜电阻吸收一半输入功率，阶梯形负载电路中的薄膜电阻吸收另一半输入功率，并转化为热能，实现功率的分布耗散，避免热量单点过于集中，再由高热导率的介质基片提供散热通道，从而提高负载的承受功率及可靠性。
本发明提供的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，在平面结构上实现了毫米波频段下的宽带，大功率负载，解决了传统平面结构负载难以在毫米波频段下同时实现宽带匹配与高功率容量的问题。本发明具有带宽宽，频率高，功率容量大，回波好，易于集成的优点，在毫米波太赫兹测试仪器、通信、雷达系统等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提出的一种平面结构毫米波宽带大功率负载的结构示意图。
图2为具体实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载的正面视图。
图3为T型3dB衰减器电路的结构示意图。
图4为阶梯型负载电路一个实施例的结构示意图。
图5为具体实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载的S参数仿真曲线。
图6左图为具体实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载热仿真模型，右图为传统单电阻负载的热仿真模型。
图7左图为具体实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载在30℃环境温度，3W功耗下的热仿真结果，右图为采用传统单电阻负载在30℃环境温度，3W功耗下的热仿真结果。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的一种平面结构毫米波宽带大功率负载结构，如图1、2所示，包括：键合补偿电路1、衰减器输入匹配电路2、衰减器输出匹配电路4、T型3dB衰减器电路3、负载匹配电路5、阶梯型负载电路6，以及介质基片11，并按照键合补偿电路1、衰减器输入匹配电路2、T型3dB衰减器电路3、衰减器输出匹配电路4、负载匹配电路5、阶梯型负载电路6的顺序依次串联蚀刻于介质基片11上，所述T型3dB衰减器电路3中的并联薄膜电阻10的自由端连接有第一阵列金属化接地通孔7，所述阶梯型负载电路6中的末端薄膜电阻9的自由端连接有第二阵列金属化接地通孔8。
进一步的，所述第一阵列金属化接地通孔7为T型3dB衰减器电路3提供接地。
进一步的，所述第二阵列金属化接地通孔8为阶梯型负载电路6提供接地。
进一步的，所述键合补偿电路1由多根高低阻抗线串联而成。
进一步的，所述衰减器输入匹配电路2由多段阻抗渐变微带线串联而成。
进一步的，所述衰减器输出匹配电路4由多段阻抗渐变微带线串联而成。
如图3所示，进一步的，所述T型3dB衰减器电路3由3片矩形形状的薄膜电阻按T型结构连接而成，包括：第一串联薄膜电阻301，第二串联薄膜电阻302，微带线303，并联薄膜电阻10，所述微带线303两侧分别连接有第一串联薄膜电阻301，第二串联薄膜电阻302，微带线303底端连接有并联薄膜电阻10。
进一步的，所述负载匹配电路5由多段高低阻抗微带线串联而成。
进一步的，所述阶梯型负载电路6由多片矩形形状的薄膜电阻按阶梯型结构连接而成，阶梯型结构底部的薄膜电阻设置为末端薄膜电阻9。一个实施例，如图4所示，阶梯型负载电路6由4片矩形形状的薄膜电阻，分别是第一薄膜电阻601，第二薄膜电阻602，第三薄膜电阻603和末端薄膜电阻9，所述第一薄膜电阻601，第二薄膜电阻602，第三薄膜电阻603和末端薄膜电阻9的宽度由窄变宽，依次串联而成。
进一步的，所述第一阵列金属化接地通孔7由多个接地通孔并联而成。
进一步的，所述第二阵列金属化接地通孔8由多个接地通孔并联而成。
实施例1：
本实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载采用0.127mm厚的AlN（氮化铝）作为介质基片，按W波段进行设计，键合补偿电路采用四段高低阻抗线依次连接而成。T型3dB衰减器电路利用3块薄膜电阻排布成T型结构形成T型衰减器，其中电阻阻值应以3dB进行设计。衰减器输入匹配电路以及衰减器输出匹配电路均通过4段宽度由窄变宽的阶梯型微带线依次串联实现。负载匹配电路采用5段高低阻抗线依次串联实现。阶梯型负载电路采用4级阶梯形状薄膜电阻连接而成。T型衰减器电路与阶梯型负载电路的阵列金属化接地通孔分别采用5个与3个通孔并联实现。
本实施例的薄膜电阻材料选用TaN薄膜电阻实现，TaN薄膜电阻能承受的功率大小与温度有关，其在125℃下特征寿命可达9×106h，方阻稳定性极高，但随着温度继续升高，TaN薄膜将逐渐被氧化为Ta2O5，从而导致方阻升高，并且这种变化不可逆，最终将会导致TaN薄膜电阻的失效。
因此，对本实施例进行了热仿真，说明其可在一定功率下稳定工作，并将本实施例与传统的单块电阻材料实现的负载进行对比，说明其在功率容量上有所提升。
需要注意，本实施例以W频段为例进行设计，技术人员也可根据该实施例，调整其中的匹配环节与键合补偿环节微带线线宽、线长以及阶数，在其他频段下实现。
实施例2：
本发明提出的一种平面结构毫米波宽带大功率负载的工作原理如下：
在匹配性能上：由衰减器匹配电路及负载匹配电路分别用于衰减器的输入输出匹配及阶梯形负载的输入匹配，并利用衰减器改善端口回波，再通过键合补偿电路对外部键合金丝所引入的寄生电感进行补偿以避免与外部器件连接时对性能带来不必要的恶化，从而实现负载的毫米波宽带匹配。
在功率容量上：在信号功率传输过程中，由T型3dB衰减器中的薄膜电阻吸收其中一半的信号功率，再由后级阶梯型负载吸收剩下的一半，并将其转化为热能，实现热量的分布耗散，避免单点热量过于集中，并采用具有高热导率的介质基片将热量及时导走，从而提高负载的承受功率。
进一步地，其中阶梯型负载结构可以实现增大电阻材料面积的同时，使电阻在高频下的寄生参量降低；阵列金属化接地通孔可以减小接地寄生参量的同时为电阻材料提供散热通道；从而达到提升毫米波频段宽带匹配效果的同时，提高其功率容量。
实施例3：
图5为本实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载的S11仿真曲线。从图中可以看出，在63GHz-110GHz频率范围内，该平面结构毫米波宽带大功率负载回波损耗皆优于20dB，可覆盖整个W频段，证明所提出的发明可以在毫米波频段下实现宽带匹配。
将平面结构毫米波宽带大功率负载放于采用铜制作的20mm*20mm*25mm测试夹具中进行热仿真，并采用传统的单电阻负载结构进行对比仿真，图6左图为本实施例的热仿真模型，右图为传统单电阻负载结构热仿真模型。在室温30℃，输入功率3W的条件下，本实施例的热仿真结果如图7左图所示，传统单电阻负载结构热仿真结果如右图所示，可以看到，本实施例的TaN薄膜电阻最高温度为116℃，而传统的单负载电阻结构的TaN薄膜电阻最高温度为139℃，在3W功耗下，本实施例的平面结构毫米波宽带大功率负载比传统单负载结构热性能提升23℃，并且有效地将温度控制在125℃以内，避免了TaN薄膜电阻的失效，说明本发明相比传统负载而言，能够工作在更高功率下。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：包括：键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、衰减器输出匹配电路、T型3dB衰减器电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路，以及介质基片，所述键合补偿电路、衰减器输入匹配电路、T型3dB衰减器电路、衰减器输出匹配电路、负载匹配电路、阶梯型负载电路依次串联蚀刻于介质基片上，所述T型3dB衰减器电路中的并联薄膜电阻的自由端连接有第一阵列金属化接地通孔，所述阶梯型负载电路中的末端薄膜电阻的自由端连接有第二阵列金属化接地通孔。
2.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述第一阵列金属化接地通孔为T型3dB衰减器电路提供接地；所述第二阵列金属化接地通孔为阶梯型负载电路提供接地。
3.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述键合补偿电路由多根高低阻抗线串联而成。
4.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述衰减器输入匹配电路由多段阻抗渐变微带线串联而成。
5.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述衰减器输出匹配电路由多段阻抗渐变微带线串联而成。
6.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述T型3dB衰减器电路包括：第一串联薄膜电阻，第二串联薄膜电阻，微带线，并联薄膜电阻，所述微带线两侧分别连接有第一串联薄膜电阻，第二串联薄膜电阻，微带线底端连接有并联薄膜电阻。
7.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述负载匹配电路由多段高低阻抗微带线串联而成。
8.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述阶梯型负载电路由多片矩形形状的薄膜电阻按阶梯型结构连接而成，阶梯型结构底部的薄膜电阻设置为末端薄膜电阻。
9.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述第一阵列金属化接地通孔由多个接地通孔并联而成。
10.根据权利要求1所述的一种平面结构毫米波宽带大功率负载，其特征在于：所述第二阵列金属化接地通孔由多个接地通孔并联而成。
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