基于IPD技術(shù)的集總元件寬帶Wilkinson功分器*

錢州強(qiáng)，邢孟江

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

0 引 言

隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，功率分配器作為系統(tǒng)中的重要設(shè)備，相關(guān)技術(shù)也得到了廣泛和深入的研究。傳統(tǒng)的威爾金森功分器只能工作在單一頻率上，無法滿足寬帶技術(shù)在無線通信中的要求?，F(xiàn)在對(duì)基于傳輸線技術(shù)的寬帶威爾金森功率分配器的研究取得了很多成果[1-3］。然而，這些基于傳輸線的功率分配器在印刷電路板上占用很大的芯片面積，增加了成本并導(dǎo)致了額外的功耗能力[4］。本文提出的集總分量Wilikinson功率分配器，采用LC阻抗變換部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電路傳輸線，大大減小了功率分配器的尺寸[5］。功率分配器也可以使用IPD工藝制造。

1 IPD制造過程

集成無源器件技術(shù)可將分立無源器件集成到襯底中，并提高Q因子和系統(tǒng)集成度。Q因子高達(dá)70的電感可以通過高阻硅（HRS）IPD技術(shù)來制備，因?yàn)楦唠娮韫枰r底具有良好的RF特性[6］?；诒∧ぜ夹g(shù)的HRS-IPD具有高精度，高集成度的特點(diǎn)，同時(shí)可將特征尺寸減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。 采用成熟的硅技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)成本更低的批量制造。此外，HRS-IPD技術(shù)可以與硅通孔（TSV）技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)3D系統(tǒng)封裝，分析表明HRS-IPD技術(shù)在系統(tǒng)集成方面具有良好的應(yīng)用前景[7］。

目前可用的IPD技術(shù)分為厚膜技術(shù)和薄膜技術(shù)。低溫共燒陶瓷（LTCC）是一種典型的厚膜IPD技術(shù)，廣泛用于民用通信，軍事電子產(chǎn)品[8］。然而，陶瓷基片燒結(jié)收縮嚴(yán)重，很難形成高精度的嵌入式元件[2］?；诠饪?，化學(xué)氣相沉積（CVD），磁控濺射和其他工藝的薄膜IPD技術(shù)可以提供優(yōu)異的器件精度和功能密度?；诖?，無源器件的尺寸可以減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。常用的襯底材料是硅，玻璃。由于硅具有價(jià)格低，導(dǎo)熱性好，與IC生產(chǎn)工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于IPD技術(shù)[9］。

IPD工藝流程圖如圖1所示，有三層電鍍銅用于金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容器，螺旋電感器和互連。用作互連的第一層金屬（M1）和用于MIM電容器的背板使用厚度為1 μm的銅。 使用厚度為0.2 μm的電介質(zhì)（D1）作為MIM電容器的絕緣層。Cu從0.65 μm的厚度作為第二層金屬（M2），第二層金屬是MIM電容器的頂部。用厚度為10 μm的銅層作為第三層金屬（M3），用于實(shí)現(xiàn)螺旋電感和引線鍵合焊盤。介電層（D2）是用于將螺旋電感的M3層與M1層的下層路徑分開的低k介電層。低k材料用作絕緣層（PV）以保護(hù)頂部金屬M(fèi)3。

圖1 IPD工藝圖

2 電路設(shè)計(jì)

集總元件Wilkinson功率圖的電路配置如圖2所示，它是一個(gè)N單元電路，包括一個(gè)N波段LC阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和N個(gè)跨接電阻。如圖2所示，電路關(guān)于平面A-A'對(duì)稱，并且可以使用奇偶模式激勵(lì)方法進(jìn)行分析。A-A'對(duì)應(yīng)于磁壁，即打開狀態(tài)；當(dāng)2,3端口，A-A'中的奇模激勵(lì)相當(dāng)于壁時(shí)，即短路狀態(tài)。圖3和圖4分別給出了在偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)下的等效電路。

圖2 集總元件Wilkinson功率分配器電路

圖3 奇模激勵(lì)的等效電路

圖4 偶模激勵(lì)的等效電路

圖5 兩級(jí)功率分配器的電路

在奇模激勵(lì)電路中，第i段(i=1,2,…,n)的輸入導(dǎo)納為：

以此類推：

因此，奇模激勵(lì)電路的輸入阻抗為：

在偶模激勵(lì)電路中，第i段(i=1,2,…,n)的輸入導(dǎo)納為:

以此類推：

本電路中奇模與偶模的反射系數(shù)為：

根據(jù)三端口對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)分析理論，網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)為：

在上面的等式中，Γo/e是奇數(shù)/偶數(shù)模式的反射系數(shù)。威爾金森功率分配器是所有端口匹配的網(wǎng)絡(luò)，所以式（12）和式（13）等于0;同時(shí)端口3和端口3是隔離的，所以式（11）等于0。所以我們可以很容易地計(jì)算下面的值。

在圖4中，由于沒有電流通過隔離導(dǎo)納，可以看作是開路，所以兩個(gè)輸出電路都可以看作是LC阻抗變換器，可以將2Z0轉(zhuǎn)換為Z0。因此，偶模激勵(lì)電路可以采用N階Chebyshev寬帶阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，Dauid等人給出了公式[10］。

此時(shí)，N階威爾金森功率分配器的問題轉(zhuǎn)化為阻抗比為2∶1的寬帶阻抗變換（偶模）和寬帶阻抗匹配（奇模）的問題。

當(dāng)N=2時(shí)，威爾金森功分器的相對(duì)帶寬約為0.8，奇模電路的零點(diǎn)可以匹配整個(gè)頻段的輸出端口，得到更好的隔離。從式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可以得到兩級(jí)威爾金森功分器奇模電路的輸入導(dǎo)納和輸入反射系數(shù)。

在以上所有公式中，

通過將式（16）代入式（9）可以獲得以下結(jié)果。

從式（15）知道Γo2=0，所以式（18）中的分子必須為0。因此，分子的實(shí)部和虛部也是0?？梢杂?jì)算出：

當(dāng)N=2時(shí)，相對(duì)帶寬為0.8，中心頻率為1 GHz，電容和電感分別為：C1=1.2 pF，C2=2.5 pF；L1=13.5 nH，L2=7.5nH[11］。式（21）得到的隔離電阻值為：R1=360Ω，R2=205Ω。如圖5所示。

3 功分器的仿真與模型的建立

使用ADS繪制圖6所示的電路，仿真S參數(shù)，如圖7所示。從圖7可以看出，在0.745～1.3 GHz頻段，功率分配器的分配損耗小于0.1 dB，輸入反射系數(shù)和隔離度均低于-20 dB。根據(jù)本文提到的IPD過程，HFSS中繪制的模型如圖8所示，S參數(shù)的模擬如圖8所示。圖8中模型的尺寸僅為1.8 mm×1.5 mm。S參數(shù)值也符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 ADS中功率分配器的S參數(shù)

圖8 HFSS中的功率分配器模型

圖9 HFSS中功率分配器的S參數(shù)

4 結(jié) 語

在分析功率分配器奇模阻抗的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了兩級(jí)功分器的分量公式。采用LC阻抗轉(zhuǎn)換部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電路傳輸線，大大縮小了功率分配器的尺寸。IPD技術(shù)不僅可以將無源器件集成到基板中以提高系統(tǒng)集成度，而且還可以產(chǎn)生高Q值電感。與LTCC等技術(shù)相比，高阻硅IPD技術(shù)具有集成度高的優(yōu)點(diǎn)。我們還可以利用晶圓平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，輕松利用現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行批量生產(chǎn)。