（电路与系统专业论文）数字移相器精确电路模型研究.pdf

摘要 摘要 移相器是通讯、雷达、仪器仪表等电子设备中重要的部件之一，尤其是在相 控阵雷达中，一部阵列天线需要成百上千个移相器。鉴于对移相器有如此大量的 需求，缩短研发周期，加快产品上市时间可为企业抢占市场先机提供有力保障。 本课题就是基于该思想而提出的。本文在查阅大量相关文献基础上，结合加工工 艺和实践中的经验，研究和建立了移相器的精确电路模型。 p i n 二极管是类重要的控制元件，文中详细推导它的非线性模型，同时也对 其它外围器件及与工艺相关的电路模型做了深入研究。 微带传输线是一类传输准t e m 模的重要结构，其不连续性会对微波电路产生 较大影响，因此本文也研究了这些不连续结构的模型并提出了一些补偿措施。 几种常见的移相器电路结构以及各自的优缺点和适用的范围在文中有所论 述。此外，还针对各种移相器的不同应用提出了相应的补偿方法。在大多讲述移 相器的资料中，鲜有讲述偏置电路的，但实际上偏置电路也是移相器重要的组成 部分，所以本文也把两种偏置电路结构包括进来。 在完成以上单独结构的工作后，利用a d s 和h f s s 的接口功能建立了适用于 两种软件的设计移相器所需部件的插件，构成一个移相器设计平台，从而可以极 大地减小设计工作量。 最后，利用所搭建的设计平台设计了一个k u 波段六位数字移相器。仿真和实 验验证结果证明论文所做工作的正确性和可行性，从而为射频微波工程师提供了 一种加快设计时间、减小设计工作量的方法。 关键词；数字移相器，建模，p i n 二极管，微带结构 a b s t r a c t a b s t r a c t p h a s es h i f t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fs u c he l e c t r o n i ce q u i p m e n ta s c o m m u n i c a t i o n s ，r a d a rs y s t e m sa n di n s t r u m e n t s ，e s p e c i a l l yi np h a s e da r r a yr a d a r s ， h u n d r e d so ft h o u s a n d so fp h a s es h i f t e r sa r en e e d e df o rp h a s e da r r a ya n t e n n a s t h en e e d f o rp h a s es h i f t e ri sh u g e ，s ot os h o r tt h ed e s i g np e r i o da n ds p e e du pt i m et om a r k e t w o u l db eq u i t ei m p o r t a n tf o rc o m p a n i e st os e i z et h em a r k e to p p o r t u n i t i e s t h i sw a st h e o r i g i no ft h i sr e s e a r c hw o r k b a s e do nt h ea v a i l a b l ep a p e r sa n di nc o n s i d e r a t i o no f m a n u f a c t u r i n g ，t h i st h e s i si sac o m p r e h e n s i v es t u d y o fm i c r o w a v ep h a s es h i f t e rd e s i g n p i nd i o d ei sa ni m p o r t a n tc o n t r o ld e v i c ef o rm i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i t s i t s n o n l i n e a rm o d e li sp r e s e n t e da l o n gw i t ho t h e rd i s c r e t ec o m p o n e n t s m o d e l st h a ta r e n e e d e dt od e s i g np h a s es h i f t e r s m i c r o s t r i pl i n ei s a ni m p o r t a n ts t r u c t u r ef o rp r o p a g a t i n gq u a s i t e mm o d e t h e d i s c o n t i n u i t yo fm i c r o s t r i pl i n ew o d da f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o w a v ec i r c u i t s ，s o i ti ss t u d i e dh e r e i n ，a n dm e t h o d st oc o m p e n s a t ef o rt h i se f f e c ta r ep r o p o s e d t h eu s u a ls t r u c t u r e so fp h a s es h i f t e r sa n dt h e i rm e r i t sa n dd r a w b a c k sa n dt h es c o p e o f a p p l i c a t i o n o ft h ei n d i v i d u a ls t r u c t u r e sa r ed i s c u s s e d b e s i d e s ，m e a n so f c o m p e n s a t i o nf o rd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r ep r o p o s e d m a n ym a t e r i a l sr e l a t e d t op h a s e s h i f l e r sa r em e r e l yf o 饥s e do nt h es t r u c t u r ei t s e l f , t h e yr a r e l ym e n t i o n e dt h ed cb i a s p a r t ，b u ti nr e a l i t y , t h ed c b i a sw o u l da l s oi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fp h a s es h i f t e r , s ot w od i f f e r e n tw a y st ob i a st h ec o n t r o lc o m p o n e n t sa r ei n c l u d e d o nt h e b a s i so fa b o v em e n t i o n e dw o r k ，ap h a s es h i f t e rd e s i g np l a t f o r mi s c o n s t r u c t e du s i n ga d sa n dh f s s ，h e n c et h ed e s i g no fp h a s es h i f t e r sw o u l db ee a s e d s i g n i f i c a n t l y f i n a l l y , ak ub a n ds i x - b i td i g i t a lp h a s es h i f t e ri sd e s i g n e du s i n gt h i sp l a t f o r m t h e c o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n ts h o wt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h i sc o u l da l s ob eaw a yf o rr fa n dm i c r o w a v e e n g i n e e r st oa c c e l e r a t et h e i rd e s i g nw o r k k e y w o r d s ：d i g i t a lp h a s es h i f t e r , m o d e l i n g ，p i nd i o d e ，m i c r o s t r i ps t r u c t u r e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 论文使用授权 训晦主具母 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘羔昼导师签名：蒸鲨型 日期：w ，口年j 月力日 第一章引言 1 1 课题研究背景 第一章引言 移相器广泛应用于通信、雷达系统、仪器仪表等领域。尤其是随着相控阵雷 达的发展，数字移相器得到了迅速的发展和使用。 对于微波移相器的设计，目前有多种工艺可以实现。不过由于新近技术还存 在一些问题有待进一步解决，所以微波混合集成电路的方法仍然是最为灵活和简 单的。 目前对数字移相器的需求仍然很大，从商业角度来讲，快速响应客户需求是 企业成功一个很重要的因素。传统的移相器设计需要仿真。实验循环很多次，这 一方面浪费了资源，另一方面也降低了设计效率。因此，如果可以正确地、高效 地利用现有的微波电路c a d 软件，再根据这些软件所提供的接口功能编制一些适 合自己特殊应用的专用插件对缩短设计周期、减少设计人员工作量和加快产品上 市时间是一件很有现实意义的工作。本课题正是在这一指导思想下提出的。 1 2 移相器的发展 移相器可分为数字移相器和模拟移相器。在相控阵雷达中，一部阵列天线需 要上千个移相器。与模拟移相器相比，数字移相器具有体积小、重量轻、反应速 度快、可靠性高、可由计算机控制等众多优点，因此在相控阵雷达中得到了广泛 应用。 数字移相器可用铁氧体元件或半导体器件或m e m s 器件来制作。铁氧体移相 器在2 0 世纪6 0 年代得到了飞快的发展，它具有损耗小和功率容量高等优点。与 铁氧体移相器相比，半导体移相器或m e m s 移相器的结构更为紧凑，切换时间更 短，需要的驱动电流更小【l 】。 半导体移相器常用的控制元件有f e t 和p i n 二极管。f e t 有很低的功耗，不 过由于其寄生参数的影响，截止频率一般较低，所以常用于较低频率的设计中。 而p i n 二极管可以有很高的功率容量和很小的寄生参数、很高的截止频率( 如 m a - c o m 的m a 4 p b l 0 2 7 梁式引线封装二极管的截止频率达到1 0 g h z ) ，以及易 电子科技大学硕士学位论文 于集成等优点，是数字移相器中一类重要的控制元件。 p i n 二极管出现于2 0 世纪5 0 年代初，它的实际应用始于1 9 5 2 年，被制作成 一个低频的大功率整流器。几年后，p i n 二极管用于通信系统的探索也开始了【2 1 。 从1 9 5 5 年开始，p i n 二极管用于微波限幅器、衰减器、开关、移相器等的文章不 断出现。 开关线移相器结构于1 9 5 7 年提出，谢夫曼移相器出现于1 9 5 8 年，反射式结 构出现于1 9 5 9 年，这一年也出现了加载线结构。在1 9 7 0 年，高通低通结构 被提出【3 】。后来的科研工作者不断地提出一些新型的结构，不过基本上都保持了这 几种基本类型的拓扑结构。 在保证性能的同时轻型化、小型化、集成化是未来电子设备发展的必然方向。 在微波电路设计中，1 9 7 5 年英国的j a m e st u r n e r 和r a yp e n g e l l y 设计出g a a sf e t 放大器，从而开创了m m i c 的时代。m m i c 现在在1 g i - i z - - 1 0 0 g h z 频率范围内都 有产品或在实验室出现。 一个非常经典的m m i c 移相器于1 9 9 1 年出现于那时的m a r c o n i 公司。该移相 器为c 波段的六位数字移相器，用g a a s 材料制成，其中的1 8 0 0 、9 0 0 和4 5 0 三位 为高通低通结构，其它三位为开关线结构，控制元件为f e t 。 h i t t i t e 公司2 0 0 7 年发布了几款m m i c 移相器，其中的5 位数字移相器h m c 6 4 4 工作频率为15 g i z 一18 5 g h z ，移相精度为士5 0 ，插入损耗最大7 d b 。不过其输入 口回波损耗为1 0 d b ，输出口回波损耗为8 d b 。 在新近的一篇文献中，韩国人报道了使用i n g a a sp i n 二极管的工作于q 波段 ( 4 6 g h z - - 4 9 g h z ) 的4 位m m i c 开关线型移相器。 m m i c 的优点是有好的重复性、重量轻、体积小、可靠性高、寄生参数小从 而有更高的应用频率和更大的带宽、在批量生产时成本可以很低；与它相对应的 微波混合集成电路的优点是可以有多种元器件的选择，且生产周期短、成本低【4 】。 m e m s 技术出现于上个世纪八十年代，r fm e m s 在2 0 0 0 2 0 0 2 年间得到非常 广泛的讨论。r fm e m s 有着低损耗、高线性度、高q 值等优点，吸引着很多学者 的目光。 m e m s 移相器报道于1 9 9 8 年，实际上这是一个宽带的延迟线。在2 0 0 2 年一 篇介绍i 强m e m s 移相器的文献中【5 】指出，一个工作于x 、k u 波段的三位m e m s 的损耗只有约o 9 d b ，比传统的移相器有着极大的改善。除传统的移相器结构外， m e m s 移相器可以用两个单刀四掷开关来实现三位数字移相器，而六位的只需四 个单刀四掷开关，从而极大地减小了体积。 2 第一章引言 由于r fm e m s 还存在需要昂贵的密封费用、高的驱动电压( 2 5 9 0 v ) 和可靠性 等方面的问题，目前还主要用于可调滤波器和可重建匹配网络、继电网络和阵列 天线的宽带延迟网络等领埘6 1 。 在最新的报道中，德国的b u c k 和k a s p e r 用薄膜技术在高电阻率硅基片上， 用容性开关制作出工作于2 4 g h z 和7 7 g h z 的m e m s 移相器。 除集成的m e m s 移相器外，也可制作混合的m e m s 移相器，即用混合集成电 路的方法，用m e m s 开关来代替p i n 二极管或者f e t 等控制元件。不过这种方法 在6 g h z 以下可行，在1 0 g h z 以上与集成m e m s 移相器相比就没有任何优势【5 j 。 随着l t c c 工艺的逐渐发展成熟，将r fm e m s 技术与l t c c 技术结合的移相 器和阵列天线也开始出现【。7 8 】。 1 。3 课题简介 本文对微波混合集成电路领域的数字移相器电路结构及构成移相器的所有元 器件模型进行了深入的研究，并利用微波仿真软件a d s 和h f s s 的接口功能制作 了用于加快移相器设计的插件。 作为人生学习生涯一个非常重要的阶段，本文将作者在研究生学习期间在课 题研究过程中所遇到的问题及寻求的解决方法呈现出来，尽量用简明的语言将理 论与工程应用结合起来，以期为从事类似工作的人员提供一条解决问题的思路和 途径。 文章结构如下： 第一章为引言，介绍了课题研究背景与研究意义，同时也对移相器的历史作 了回顾，并对移相器的发展方向作了较为全面的概述； 第二章为移相器设计所需分立器件及工艺元件的模型，包括非常重要的p i n 二极管的非线性模型以及其它如玻璃绝缘子、金丝等的模型； 在微波电路中，微带电路的不连续性对电路性能有着很大的影响。第三章分 析了各种微带不连续性及补偿方法，然后介绍了三种重要的耦合器结构； 有了设计移相器的器件以及微带电路的知识，第四章分析了各种移相器结构， 建立了各种移相器的模型并提出了一些改进方法，然后论述了集总元件和分布元 件的偏置电路； 在前三章工作的基础之上，第五章简单介绍了使用a d s 和i - - i f s s 建立移相器 设计平台的思路和方法； 电子科技大学硕士学位论文 为了验证该设计平台的准确性和可行性，第六章设计了一个k u 波段六位数字 移相器，介绍了各单元电路的设计，并对比了仿真和实际测试结果； 第七章为本文结论，总结了前面的工作并指出了设计中的不足和有待改进的 地方。 4 第二章分立器件及工艺等效元件模型 第二章分立器件及工艺等效元件模型 数字移相器由不同形式的微带结构和构成控制电路的p 二极管开关组成。 微带线和不同形式的移相器结构将在以下的章节讲述，本章主要讨论p i n 二极管、 键合管芯和微带线的金丝、管芯粘台剂、电容和电感、以及玻璃绝缘子的模型， 因为这些都是构成移相器所必需的外围器件，且这些器件的性能直接决定着移相 器性能的好坏。 21p i n 二极管模型 由于p 矾二极管可以用较小的直流电流来控制大功率的射频信号，因此在射 频微波电路中有着非常广泛的应用，如开关、衰减器、调制器、移相器等p i 。 在p 二极管电路设计中最常用的方法是用简单的电容电阻模型来表示p n 二极管的特性。但是，这个模型不能描述p 二极管中i 区的电荷存储这个重要 效应，而这个效应才是p 矾二极管有阻抗一频率特性和载流子寿命与偏置电流有 关等特性的决定性因素。 本节首先对p 矾二撮管的结构作一简单示意，然后把重点放在p 矾二极管模 型的建立上。 2 1 1p i n 二极管结构 p 矾二极管的结构如图2 - 1 ( a ) 所示，它是由高掺杂浓度的p 区和n 区以及夹杂 在二者之间的本征区i 所构成。在参考文献【1o 】中详细地讲解了p 矾二极管的结构， 在此不再赘述。 - _ 。捆 i i i i 匿酗谴 ( a ) p 矾二极管结构示意图) 台面结构侧视图 ( c ) 台面结构项视图 图2 - ip i n 二极管结构 所有二极管都需要用金属接触以使管芯同电路连接时有良好的电和热传导性 5 电子科技大学硕士学位论文 能。台面结构未加封装的p i n 二极管芯片的侧视图和顶视图分别如图2 1 ( b ) 和( c ) 。 2 1 2pin 二极管模型 r o b e r th c a v e r l y 教授在p i n 二极管模型上有着很深入的研究，发表了大量的 关于p i n 二极管模型的文章，可从他的个人网站( h c t p ：觚a v e r l y e c e v i i i 。e d u ) t 载到。 作者曾和他联系过，受到很大的启发。以下模型是在他的文章【u 】所建立的模型基 础之上改进而得到的。 在s p i c e 仿真器的时域模型中，p i n 二极管的p i 结和n 结用两个普通的p n 结二极管来表示。建立i 区的模型要复杂一些，因为它显示出电荷存储效应，也正 是这一效应影响着p i n 二极管的诸如阻抗一频率特性、插入损耗和限幅作用等性 能。 为叙述方便，将p i n 二极管本征区的载流子分布示于图2 - 2 【1 2 1 。 团卫 图2 - 2 本征区载流子浓度分布 p i n 二极管的电荷存储现象可由双极载流子传递方程来描述： 掣=等+瓦1丁op(x,t)dx ( 2 - 1 ) 。dn薯dn 出 载流子寿命f 是i 区空穴浓度p ( x ，f ) 的函数。这里d 。= 2 d 。d ，( d 。+ d | 口) 是双 极扩散系数，d 。和d 。分别为i 区电子和空穴的扩散系数。记。= d 。f ，为双极 扩散长度。 上式在x = o 处的边界条件为： a p _ ( o , 一t ) = - g l ( f ) ( 2 - 2 ) 这里 删= 志去讹) 一瓦h p 州2 r ) ( 2 - 3 ) 上式中，f ( f ) 为二极管电流，a 为二极管面积，b = 从1 。为电子和空穴迁移 6 第二章分立器件及工艺等效元件模型 率之比，h p 为发射极复合系数。后二者表征发射极复合效应。p 。( f ) 为p + n 一结处 空穴的浓度。 同前面两式，在坐标x = w 处可以得到第二个边界条件。但为了简便起见，采 用下面这个边界条件： 8 p _ ( x _ m , t ) = 0 ( 2 - 4 ) 这里w 2 0 1 零、弋j k ， _ 二弋 f t o q h z 】 图2 - 1 2 单金丝在h f s s 中的仿真结果 微波电路中键合金丝的标准直径有o7 i l l i l 、1 i n i l 和15 m f l 三种。为改善金丝 的高频特性，在空间允许的情况下可以采用多根金丝并联的方法。参考文献 z 8 1 的实验表明，金丝的长度、直径和并联金丝的数目对回波损耗有着较大影响，而 在金丝长度一定的情况下，直径和并联金丝的数目对插入损耗有影响。图2 1 3 给 出了金丝长度一定的情况下三种直径的金丝的仿真结果。 在微波电路设计中，为将金丝的影响减小，可在电路上采取一些补偿的方法， 可参见参考文献【1 9 。 第二章分立器件及工艺等效元件模型 蠢淹一 一r 。+ 。一 一幕霉k ：一 一卜 二i 峄 一_ 一1 + i 一 。l 。! 一j ，! 一 li 卜 “：i _ = ： 二， 二忒 、 7 厂一 、 f r e q g h z 图2 1 3 不同直径的金丝在h f s s 中的仿真结果 金丝的参数可以通过以下三种方法得到：( 1 ) 用网络分析仪实际测试；( 2 ) 用仿 真软件来得到；( 3 ) 使用其等效电路模型。三种方法中以仿真最为快捷。接下来将 讨论金丝的等效电路。 从前面的仿真可以看出，金丝表现为一低通滤波器特性，因此可以用一个低 通结构来等效。一个最为简单的等效电路如图2 1 4 所示 2 0 】： 图2 1 4 金丝等效电路模型 为确定该模型中相应参数的值，可由仿真或实际测试得到金丝的s 参数，然 后通过曲线拟合得到下面的关系式： 胁= 叫+ 型号罟业仃) r 如：三三= 三一三 c l = - 4 x 1 0 “，2 + 0 0 1 3 6 1 + 1 5 9 1 1 c 2 = - 1 0 。5 2 2 + 0 0 2 6 4 l + 2 9 2 5 9 ( 2 - 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 t = o 0 0 0 2 l ( 1 n ( 2 l r ) - o 7 5 ) ( 2 3 6 ) 。o o 毗悱+ 孵 - 孵+ 爿 陋3 7 ， 以上关系式的解释如下：r t o t 为电阻的值，单位为q ；g 为连接芯片一边的 电容值，c 2 为连接微带线一边的电容值，单位为行；厶为金丝的自感，l 。为两 根金丝并联时它们之间的互感，单位为i l h ；频率厂的单位为g h z 。 这里的自变量为： z ：金丝长度，单位为 t l m ； ，：金丝半径，单位为u m ； s ：两根键合金丝之间的距离，单位为u m 。 等效模型与h f s s 仿真数据对比如图2 1 5 所示，其中红色线条为h f s s 仿真 结果，蓝色为模型仿真结果。可见，二者的回波损耗很接近，而插入损耗在1 0 g h z 时都还是很接近。h f s s 仿真结构为：金丝直径2 s u m ，长度为3 0 0 u m 的单金丝。 f c n 图2 1 5h f s s 仿真结果与等效模型仿真结果对比 除了上面提到的集总元件等效电路外，也可用分布元件来建立金丝的模型 2 1 2 2 】。对于更高频的模型在文献 2 3 中有叙述。 2 4 管芯粘合剂模型 随着微电子封装技术的发展，今后的倒装芯片封装技术将成为主流，因为该 技术具有易散热、密度高、寄生影响小，并且兼具有优良的电、热和机械连接特 性。以前所使用的铅锡合金具有剧毒性，这使得人们寻求无铅、绿色的封装技术。 可行的绿色封装有两种方法：一是用新型的低熔点无铅合金来代替传统的铅锡合 金，另一种方法便是采用导电胶互连技术。 导电胶可分为各向同性导电胶( i c a ，i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e ) 和各向异性 第二章分立器件及工艺等效元件模型 导电胶( a c a ，a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ea d h e s i v e ) 。各向异性导电胶( a c a ) 与传统锡铅焊 料相比具有以下优点：第一，适合于超细间距，可低至5 0 t t m 仍能使用，这比焊料 互连间距提高了至少一个数量级，有利于封装进一步微型化；第二，a c a 具有较 低的固化温度，与焊料互连相比大大减小了互连过程中的热应力和应力开裂失效 的问题，因而特别适合于对于发热敏感的元器件的互连和不可焊性表面的互连； 第三，a c a 互连的工艺过程非常简单，因而可以提高生产效率并降低生产成本； 第四，a c a 具有较高的柔性和更好的热膨胀系数匹配，这可以改善互连点的环境 适应性，减少失效；第五，节约封装的工序；第六，a c a 属于绿色电子封装材料， 不含铅以及其它有毒金属。各向异性导电胶由于具有上述的一系列优点，使得细 间距a c a 技术迅速在以倒装芯片互连的集成电路封装中得以广泛地应用】。 导电胶的结构如图2 1 6 所示，它是由聚合物微球填充在环氧树脂中组成。 u p p e rc o n t a c t 图2 1 6 导电胶结构 由其结构可见，导电胶的等效电路模型可以表示为图2 一1 7 所示的形式 曩。汀a _ = - 。卵c - 1 _1 一_ 1 ，_，m7口=o 一一 4 r 、”i o7 ”：= o ；。：“i o 图2 1 7 导电胶的电路模型 图中左边为一个聚合物微球的电路结构，两端两个r 与c 的并联是模拟导电 物质与金属结之问的接触情况，而中间的电阻是由于导电物质有一定的体电阻。 右边的结构为导电胶整体的电路模型。因为导电胶中有很多导电的聚合物微球， 因此可等效为它们的并联，再与一个寄生电容并联。 该结构在频率低于8 g h z 时能较为准确地模拟导电胶的特性，但当频率升高后 就不适用了。一个更为简单，也较为准确的模型示于图2 - 1 8 。 电子科技大学硕士学位论文 c 卜一 。 挈l 、，、。! 挈 r l r 1 u 图2 - 1 8 导电胶的另一种电路模型 在此将导电胶被装配在电路中的情形示于如下。被镀上金属( 镍、铜等) 的聚合 物被装进电路后由于压力的作用而产生如图2 1 9 所示的形变。因此，图2 1 8 模型 中的电阻可由下式计算出来： 图2 - 1 9 导电胶中聚合物被装入电路中的变形情况 一= 鲁h t a n ( 詈( - + ； ，：。、 式中r 为聚合物的半径，p 为所镀金属材料的电阻率，t 为其厚度，h l r 为变 形系数。 25 玻璃绝缘子模型 在产品调试时会用到玻璃绝缘子( g l a s sb e a df e e dl l a r u ) 。t h u n d e r l i n e z 公司 o a t t p ：1 w w w t h u n d e t l m e ze o m ) 的t l 一8 0 5 结构如图2 - 2 0 所示，它可以工作到2 8 g h z 。 ? 双 图2 - 2 0t l - 8 0 5 仿真模型 玻璃绝缘子的特性阻抗计算方法与同轴线相同，计算公式如下【2 5 】： z o 一去悟删 b 第二章分立器件及工艺等效元件模型 为了保护接触弹片的基材金属不受腐蚀并优化接触界面的性能，尤其是连接 器的机械和电气性能，在射频微波连接器的设计中都需要使用接触镀层【2 州。 常用的贵金属镀层有金、钯或合金。由于金不但具有优良的导电性和导热性， 且几乎在任何环境中都有良好的抗腐蚀性，因此在要求高可靠性的场合经常采用。 通常在镀金时需要先镀一层镍，这是为了防止镀金表层的潜在性结构退化。 如前面提到的t l 8 0 5 ，其内导体和外导体均为k o v a r 合金，在其表层镀上厚 度为o 1 m i l 的镍，然后再镀一层厚度为5 0 u m 的金( 根据规范m i l g - 4 5 2 0 4 c ，t y p e i i i ，g r a d ea ) 。所用玻璃材料为c o m i n g 公司的7 0 7 0 ，介电常数为4 1 。在h f s s 中的仿真结果如图2 2 1 所示。 、_ 一 _ 一一q 。 ： | 一 。j 一。、 一严 _ i 。一 笠 。j 一厂- 、一j o t 、 j j j ri 。 r 一l 。i ，一 l i ：| ，一ll，、1 ，一 一l| 一- 善l 一 “f 一一 ，o ! 、：外_ ? _ t 一 f ：+ 。一二_ i一- 、一j 、 ， i k 一 二i 岁食一i 1 _ ； j 0 i ： 一 二二引二二二二： f 一 一：l ：l 二z 二： 2 6 电容模型 f r u q g h z 图2 2 1t l 8 0 5 仿真结果 在射频微波电路中，电容常用来隔直流，作射频旁路和阻抗匹配等。常见的 电容有多层陶瓷电容，一般应用频率较低。在微波毫米波电路中常用芯片电容， 它是用薄膜工艺来实现的。 m i s ( m e t a l i n s u l a t o r - s e m i c o n d u c t o r ) 电容结构如图2 2 2 所示，它是由一层金属 层、一层绝缘层和一层半导体层组成。如s k y w o r k s 的s c 系列m i s 电容的半导体 层为二氧化硅，绝缘层材料为氮化硅，其工作频率可到2 6 g h z 。与陶瓷电容相比， m i s 电容有着更高的q 值和更低的损耗。 2 1 电子科技大学硕士学位论文 崮2 - 2 2 m i s 电容结构 m 1 s 电容的电容量计算公式为： c 。= 8 晟尝 口 2 - 4 0 1 其中为绝缘层材料的相对介电常数，岛为真空的介电常数，一为电容的面积，d 为绝缘层的厚度。 从上面电容的计算公式可见，用更薄的绝缘层可以得到更高的电容量。但是 对于m i s 电容来说，绝缘层的厚度不能低于l o n m ，因此可以使用所谓的高k 材料 来作为绝缘层。 根据参考文献【2 7 ，m i s 电容的等效电路模型如图2 2 3 所示： ( 吲2 - 2 3m i s 电容等效电路模型 该文献从半导体物理的角度分析了m i s 电容的原理。上面的等效电路中，c 为绝 缘层电容，c 。为半导体层耗尽层电容c 。，和r 分别为接触面伴随的电容和电阻。 这类电容在电路中的安装方法如图2 2 4 所示，需要用金丝把其一端连接到微 带电路中去。 圈2 - 2 4m i s 电容在电路中的安装示意图 臣 一- l 第二章分立器件及工艺等效元件模型 2 7 电感模型 在本课题中，电感主要用于射频扼流。下面论述自制的线圈电感的模型和参 数提取的方法。 线圈电感的结构如图2 2 5 所示。根据参考文献 2 8 1 ，电感量的计算公式为： k 一! 一i 图2 - 2 5 线圈电感示意图 上= 攀d 耥拦( 1 + j ) n 7 ( 2 4 1 ) 电感单位为n h 。这里为线圈匝数，d 为螺旋直径，盔为导线直径，s 为螺距， 已分别示于图2 2 5 中。注意，这些量的单位为英寸。 这样的电感匝与匝之间存在匝间电容，且有一定的直流损耗，因此其等效电 路如图2 2 6 所示： 图2 - 2 6 线幽电感等效电路图 其中的电容和电阻由下式计算得到： c ：鱼：至型：垡!2 1 r 。2 云m 而1 n 两 ( 2 - 4 3 ) 5 万( j l 2 ) 2 、 上面的计算式没有考虑频率的影响，实际中电感量是会随频率变化的。为得 到所需频率处的准确电感值，可以用矢量网络分析仪测试或者用h f s s 仿真得到其 s 参数，然后用以下计算式得出电感、电阻和q 值。 l = i m ( 1 y ( 1 ，1 ) ) 2 矿 ( 2 4 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 r ，= r e ( 1 l r ( 1 ，1 ) ) q = i m ( 1 r ( 1 ，1 ) ) 足 ( 2 - 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) 本课题中建立有线圈电感的h f s s 通用模型。作为一个例子，取盔为o 1 2 m m ， d 为o 5 m m ，5 为0 3 m m ，一个4 5 圈的电感仿真结果如图2 2 7 所示。利用电感量 计算公式得到的值为3 9 n i l ，用h f s s 仿真出来在4 8 g h z 时达到该值。同时也可 以看到，该电感的q 值在4 g h z 时最大，自谐振频率为9 6 g h z 。所以在实际应用 中应根据需要来调整相关参数以得到所需的电感量。 o ) c o 3 d c f m q ，g h z 图2 2 7 线圈电感仿真结果 o 厂时汐) = 锄。也就是说，基片越薄，微带线 阻抗越高，它的色散越小。 特性阻抗随频率变化的表达式为： 这里的有效宽度( 厂) 为： z 。驴