张晓 代书鹃 肖永平

（中科芯集成电路有限公司 江苏省无锡市 214072）

1 引言

为适应相控阵技术的发展带来的高效功率放大器发展的需要，集成型平面传输线设计的功率分配器得到了快速的发展，但是这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、微波应用频段，需要选择高介电常数、高热导率的陶瓷材料作为介质基板[1],[2]。氧化铍陶瓷具有高热导率(300W/(m·K))、高强度、高绝缘性、高的化学和热稳定性、低介电常数 (εr=6.8)、低介质损耗(tanδ=0.0004)以及良好的工艺适用性等特点，能够满足现今对电子封装基片材料的要求，在大功率半导体器件、集成电路及微波电真空器件中，一直都是制备高导热元器件的主流陶瓷材料。本文详细论证了氧化铍陶瓷在X 频段的微波介电性能并制作了功率分配器、Lange 电桥，实验表明，氧化铍陶瓷在X 频段的性能优良，满足高频、大功率条件的使用要求。

2 器件原理、建模及验证

2.1 氧化铍陶瓷基板微波介电性能仿真及测试验证

本文采用Hakki-Coleman 法测试氧化铍陶瓷基板的高频介电性能，测试系统如图1所示。

图1：氧化铍陶瓷基板的微波性能测试系统

通过谐振腔耦合方式测量氧化铍陶瓷基板的微波性能。如公式所示，在微波范围内，对于组分一定的微波陶瓷介质，其Q×f 值基本为一常数，不随频率的变化而发生变化。

通过实验，测得10GHz 段下的氧化铍陶瓷介电性能为：εr=6.8；tanδ=4×10-4，实验结果表明，氧化铍陶瓷在10GHz 频率范围内，微波介电性能较好，满足微波电路使用要求。

2.2 基于氧化铍陶瓷基板的功率分配器及Lange电桥仿真及验证

在微波系统中广泛应用功率分配器将输入功率分配到微波功率放大器、功放线性化、测试电路等各个支路中。本文利用Wilkinson 理论和多节阻抗变换器 ，选用微带设计方法，结合ADS设计工具，完成电路设计的初始模型，并采用 HFSS 分析优化电路模型，得到仿真分析结果[3],[4]；综合考虑基板电路、接头、腔体结构的优化设计，迭代仿真获得较优的微波性能。同时，考虑到隔离功率电阻和散热是宽带大功率功率分配器能否实现功率指标的关键，对隔离电阻的材料及电性能进行了仿真优化。

如图2所示，采用单级功率合成网络，利用HFSS 进行建模及仿真8 ～12GHz Wilkinson 功率分配器，仿真结果表明：插入损耗<3.2dB@8 ～12GHz，隔离度>17dB@8 ～12GHz，回波损耗>16dB@8 ～12GHz。此外，鉴于Lange 电桥常用于功率合成和功率分配电路，并因其结构紧凑，可以在微带结构中实现宽带强耦合，本文设计了6-18GHz Lange 电桥，仿真结果表明附加损耗<0.4dB@6 ～18GHz，相位不平衡度<2.8°@6 ～18GHz，驻波>1.3dB@6 ～18GHz。

图2：8 ～12GHz 功率分配器建模及仿真

3 分析与讨论

采用薄膜溅射工艺制作了基于氧化铍陶瓷基板的8-12GHz 功率分配器、6 ～18GHz Lange 电桥。为了方便调试功率分配器、Lange电桥的性能参数，制作了测试工装，如图3所示。

图3：8 ～12GHz 功率分配器及6 ～18GHz lange 电桥

在装配过程中，结合仿真设计，综合考虑连接器的尺寸来实现同轴／微带转换电路、微带线阻抗及线宽设计、连接器与微带线之间的阻抗匹配等，通常设计容性补偿来获得良好的微波传输性能。

通过制作测试工装，实现性能测试，8-12GHz 功率分配器、6 ～18GHz Lange 电桥测试结果分别如图4、图5所示。结果表明：扣除接头及软基材损耗后，在8 ～12GHz 频率范围内功率分配器插入损耗约0.3 ～0.5dB，相位差小于5°，带内驻波小于1.6，隔离度在大于12dB；氧化铍陶瓷基板制作的6 ～18GHz Lange 电桥器插入损耗约为0.5 ～0.7dB，隔离度大于20dB，其相位不平衡度小于3°。

图4：8 ～12GHz 功率分配器测试结果

图5：6 ～18GHz Lange 电桥测试结果

4 结论

采用氧化铍陶瓷作为基板材料，设计并制作了适合传输大功率信号功率分配器和Lange 电桥，经测试分析，满足大功率、高散热要求条件下的使用。研究表明，氧化铍陶瓷可以较好的应用于微波电路的设计当中以改善大功率器件的散热难题。该产品的研制成功，为进一步研制更高工作频率的大功率器件并解决其散热问题提供了一定的经验参考，具有一定的指导意义。