基于GaAs衬底的功分器芯片设计_韦雪真.pdf

2022年第46卷第10期121Parts and ApplicationS器 件 与 应 用文献引用格式：韦雪真，白银超，王朋，等.基于 GaAs 衬底的功分器芯片设计 J.电声技术，2022，46（10）：121-123.WEI X Z，BAI Y C，WANG P，et al.Design of power divider chip based on GaAs substrate J.Audio Engineering，2022，46（10）：121-123.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.034基于 GaAs 衬底的功分器芯片设计韦雪真，白银超，王 朋，郝志娟（中国电子科技公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）摘要：依据 Wilkinson 功分器原理，将四分之一波长传输线等效为集总参数电路，在 GaAs 衬底上设计并实现一款 20 30 GHz宽带功分器芯片。通过工艺线提供的衬底设置和电磁仿真软件建模仿真优化，功分器的测试结果和仿真结果具有较高的一致性。芯片尺寸为 0.9 mm0.7 mm0.1 mm。探针台在片测试结果表明，功分器芯片在设计带宽 20 30 GHz 内，插入损耗小于 4 dB，隔离度大于 20 dB，输入回波损耗和输出回波损耗均优于 15 dB，具有低损耗、高隔离、驻波好、面积小、成本低的优良特性。关键词：Wilkinson 功分器；GaAs 衬底；插入损耗Design of Power Divider Chip Based on GaAs SubstrateWEI Xuezhen,BAI Yinchao,WANG Peng,HAO Zhijuan(The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shijiazhuang 050051,China)Abstract:Based on the Wilkinson power splitter principle,a 2030 GHz broadband power splitter chip is designed and implemented on GaAs substrate,which is equivalent to a quarter wavelength transmission line as a lumped parameter circuit.Through the substrate setup provided by the process line and simulation optimization of the electromagnetic simulation software,the test results of the power divider have a high consistency with the simulation results.The chip size is 0.9 mm0.7 mm0.1 mm.The on-chip test results of the probe station show that the power splitter chip has the advantages of low loss,high isolation,and low cost,with the insertion loss less than 4 dB and the isolation greater than 20 dB in the design bandwith of 2030 GHz.The input return loss and outout return loss are both better than 15 dB.Keywords:Wilkinson power divider;GaAs substrate;insertion loss0 引 言在微波电路中，功分器用于将功率分配到各个支路中去1。其中，Wilkinson 功分器是一种结构简单、应用非常广泛的功分器。近年来，随着无线电技术的迅速发展，通信设备对无源器件宽带、高隔离、小型化、集成化的要求日益提高。传统的Wilkinson 功分器多采用四分之一波长传输线的分布电路形式实现 2-5。这种形式传输损耗小，但是在低频，尺寸较大；在高频，由于传输线之间的边缘电场作用，隔离度不高。因此，传统的分布式四分之一波长传输线 Wilkinson 功分器无法满足新形势下通信设备对无源器件的综合要求，其大尺寸、低隔离特点已经不适应新型通信系统对小型化、高性能的追求。本文基于 GaAs 衬底设计了一款集总参数功分器，尺寸小，一致性好，芯片尺寸仅为 0.9 mm 0.7 mm0.1 mm，并且在 20 30 GHz 频率范围内获得了良好的隔离度、较低的插入损耗以及良好的输入输出端口驻波。1 电路设计1.1 原理图设计经典的 Wilkinson 功分器结构如图 1 所示。输入端口到输出端口之间是四分之一波长传输线，在输出端口之间引入电阻，增加隔离度。这种形式的作者简介：韦雪真（1987），女，硕士，工程师，研究方向为微波集成电路。2022年第46卷第10期122器 件 与 应 用arts and ApplicationsP功分器单节带宽一般都比较窄，若要实现宽带，需要多节级联6。而工程通信系统中信号都具有一定的带宽，因此，分布式传输线结构的 Wilkinson 功分器十分不利于宽带小型化的实现。RPort2Port3/4/4Port1图 1 Wilkinson 功分器电路图本文将四分之一波长传输线进行集总参数的等效，采用 RLC 元件代替原来的四分之一波长传输线7-8。这样，在增加节数实现宽带的同时，也可以实现小型化。其等效原理如图 2 所示。L1L2C1C2C3C4R1Num=1Num=2Num=3LLCCCCR123图 2 Wilkinson 功分器集总形式等效原理图本设计工作频率为 20 30 GHz，相对带宽为40%。基于以上分析，采用 2 节 Wilkinson 功分器式集总参数电路在 GaAs 衬底上实现。其电路原理如图 3 所示。LLCCCCRLLCCRL1L2C4C3C2C1R1Num=1Num=2Num=3L3L4C5C6R2123图 3 集总形式功分器电路原理图1.2 版图设计原理图仿真时，电感为理想电感。实际版图设计时，所用的平面螺旋电感由于介质损耗和金属损耗等影响，存在寄生电阻，Q 值非常有限，仅有 25左右。线宽、内径、结构形式都对电感的 Q 值有不同的影响9。圆形或八边形平面螺旋电感比方形电感Q值高10%20%10。因此，在进行版图设计时，综合考虑，尽量采用圆形或八边形的平面螺旋电感。本设计选用八边形平面螺旋电感。电容采用 MIM电容实现，容值非常小时，采用微带线代替。在投版前，对经过反复迭代优化后的最终电路版图进行布线规则检查（Design Rules Checking，DRC）和版图原理图一致性检查（Layout Versus Schematic，LVS）。芯片设计完成后在工艺线流片。流片后的功分器实物如图 4 所示。图 4 功分器芯片实物2 测试结果本功分器芯片采用探针台在片测试，测试结果精确，测试方法简单。测试前，先在片校准矢量网络分析仪的 S 参数。测试时，将芯片平放在探针台上。图5图8为功分器芯片在片测试的插入损耗、隔离度以及输入输出回波损耗曲线。从测试曲线可以看出，在设计带宽 20 30 GHz 内，插入损耗小于 4 dB，隔离度大于 20 dB，输入回波损耗和输出回波损耗均在-15 dB 以下。51015202530354045050-10-8-6-4-12-2插入损耗/dB频率/GHz图 5 插入损耗测试曲线2022年第46卷第10期123Parts and ApplicationS器 件 与 应 用隔离度/dB频率/GHz 51015202530354045050-30-25-20-15-10-5-350图 6 隔离度测试曲线输入回波损耗/dB频率/GHz 51015202530354045050-30-25-20-15-10-5-350图 7 输入回波损耗测试曲线输出回波损耗/dB频率/GHz 51015202530354045050-40-30-20-10-500图 8 输出回波损耗测试曲线3 结 语本文依据 Wilkinson 功分器原理，将分布结构的四分之一波长传输线等效为集总参数电路，并在GaAs 芯片上实现了集总参数式的 20 30 GHz 宽带功分器。芯片尺寸为 0.9 mm0.7 mm0.1 mm。经探针台在片测试，功分器芯片插入损耗小于 4 dB，隔离度大于 20 dB，输入输出回波损耗均优于15 dB，在带内表现出优异的高隔离、低插损以及端口驻波特性，并且尺寸小，一致性好，成本低，非常适用于批量生产。参考文献：1 李征帆.微带电路 M.北京：清华大学出版社，2017.2 钱州强，邢孟江，杨晓东，等.一种基于 IPD 工艺的低成本 Wilkinson 功分器 J.通信技术，2018，51（9）：2262-2266.3 王晓江，李振宇，封涛，等.抗振型 UHF 频段功分器的研制 J.微波学报，2012，28（S2）：316-318.4 POZAR D.Microwave EngineeringM.London：Addison-Wesley，1993.5 吴觅.基于平面传输线多频 Wilkinson 功分器的研究 D.青岛：青岛理工大学，2020.6 韩跃.基于薄膜工艺集总参数的超小型化功分器的研究与设计 D.南京：南京邮电大学，2020.7 柳峰，王鲁豫.集总元件宽带Wilkinson功分器的研究 J ，电子元件与材料，2010，29（9）：27-29.8 KAWAI T，KOKUBO Y，OHTA I.A design method of lumped-element Wilkinson power dividersC/IEICE Society Conference，2007.9 管洪彦.射频集成电路片上电感的分析与优化设计 D.上海：复旦大学，2005.10 孙昊.应用于射频集成电路的新型交变结构平面螺旋电感研究 D.西安：西安电子科技大学，2011.编辑：郭芳园