微帶芯片匹配電路設(shè)計(jì)分析
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對(duì)兩條同寬度、間隙為0．2mm的微帶線傳輸性能進(jìn)行分析。在HFSS建立利用金絲鍵合實(shí)現(xiàn)兩微帶互聯(lián)的模型，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)插入損耗和回波損耗隨著頻率的增加而增加，在頻率為25GHz處插入損耗為0．07dB，回波損耗為－17．2dB；在38GHz處插入損耗為0．2dB，回波損耗小于－14．9dB。因此微波性能的惡化主要由微帶線寬度躍變引起。
1．1微帶線寬度躍變的補(bǔ)償方法針對(duì)于寬度躍變，RakeshChadha和K．C．Gupta提出了切角補(bǔ)償法，通過(guò)自窄邊向?qū)掃叿较蚯腥ゲ糠治Ь€的方法對(duì)不連續(xù)性進(jìn)行補(bǔ)償，如圖5（a）所示。利用P．C．Sharma和K．C．Gupta提出的二維微波電路的反分割方法分析了切角θ為30°、45°和60°時(shí)的補(bǔ)償特性，結(jié)果表明θ＝60°時(shí)，補(bǔ)償效果最佳。Malherbe和Steyn提出了邊緣漸變補(bǔ)償法，在寬度不同的傳輸線之間增加一段寬度漸變的傳輸線，使得兩條傳輸線的特征阻抗連續(xù)變化，抵消不連續(xù)電容，如圖5（b）所示。切角補(bǔ)償法幾何形狀簡(jiǎn)單，但僅在一定的介電常數(shù)和阻抗比（即一定的微帶寬度比）范圍內(nèi)有效，邊緣漸變補(bǔ)償法只針對(duì)于寬度躍變產(chǎn)生的電容效應(yīng)進(jìn)行了消除。在上述典型互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，兩種微帶線寬度很大，且互聯(lián)時(shí)還存在微帶線間隙的不連續(xù)性、金絲寄生效應(yīng)等，這兩種補(bǔ)償方法無(wú)法到達(dá)理想的效果。
1．2改進(jìn)的失配補(bǔ)償方法
微帶與芯片互聯(lián)后的阻抗可以表示為R＋jX（R－jX），補(bǔ)償?shù)哪康膭t是將負(fù)載阻抗R＋jX（R－jX）變換為50Ω，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。微帶電路中阻抗匹配方式主要包括分立元件匹配和微帶匹配。在高頻端，尤其是毫米波頻段，分立元件寄生效應(yīng)明顯，裝配時(shí)的焊錫流淌等對(duì)性能影響大且容易污染芯片，故采用微帶匹配。在微帶與芯片之間加一段高阻微帶線，實(shí)現(xiàn)微帶與芯片的匹配互聯(lián)。
2直接互聯(lián)與匹配互聯(lián)的仿真與測(cè)試
目前對(duì)微帶線不連續(xù)的等效電路的討論均是在同一介質(zhì)基板上，而在微帶芯片互聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，微帶線的尺寸跳變和間隙存在于不同介質(zhì)基板上，等效電路中各元件的值發(fā)生變化，且由于微帶尺寸跳變、微帶間隙和鍵合金絲的相互影響，各元件值也不同于單獨(dú)的等效模型中元件值，解析方法復(fù)雜，通過(guò)仿真軟件分析其特性。在HFSS中建立微帶芯片直接互聯(lián)和匹配互聯(lián)的三維模型。GaAs芯片選用長(zhǎng)度為1．6mm，厚度為0．102mm的50Ω直通芯片，其襯底的介電常數(shù)為12．9，50Ω微帶線寬度為0．073mm，芯片壓點(diǎn)面積約為0．1mm×0．1mm。微帶基板選擇微波電路中常用的RogersRT5880，厚度為0．254mm的基板，其介電常數(shù)為2．2，50Ω微帶線寬度為0．76mm。用兩根直徑為25μm、跨度為0．35mm、拱高為0．1mm的金絲鍵合在微帶與芯片之間，保證可靠互聯(lián)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的微波傳輸性能。由于無(wú)法建立簡(jiǎn)單的匹配電路實(shí)現(xiàn)全頻帶內(nèi)的匹配，對(duì)25～30GHz內(nèi)的匹配電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化確定高阻微帶線的寬度為0．3mm，長(zhǎng)度為3．35mm。對(duì)直通微帶和加入高阻線的微帶進(jìn)行加工并制作實(shí)物，如圖7所示，其中上側(cè)為直接互聯(lián)，下側(cè)為匹配互聯(lián)。在25～30GHz頻率范圍內(nèi)的仿真結(jié)果表明，匹配互聯(lián)回波損耗小于－20dB，相對(duì)于直接互聯(lián)減小了9dB以上；插入損耗小于0．1dB，相對(duì)于直接互聯(lián)減小了0．4dB左右。實(shí)物測(cè)試結(jié)果插入損較大的原因是未減去接頭和微帶線的傳輸損耗。實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)與仿真結(jié)果吻合，表明此補(bǔ)償方法是有效的。進(jìn)一步的仿真可以發(fā)現(xiàn)，減小高阻微帶線的長(zhǎng)度能實(shí)現(xiàn)更高頻率的匹配互聯(lián)，采用多枝節(jié)匹配方式能實(shí)現(xiàn)較寬帶匹配，但是匹配電路尺寸將會(huì)增加。
3結(jié)論
對(duì)微帶芯片互聯(lián)產(chǎn)生失配的機(jī)理進(jìn)行了分析，分析了產(chǎn)生失配的主要原因。通過(guò)研究傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法發(fā)現(xiàn)其不足，采用了高阻微帶線進(jìn)行了互聯(lián)匹配設(shè)計(jì)的方案。對(duì)高阻微帶線的寬度和長(zhǎng)度進(jìn)行仿真優(yōu)化并進(jìn)行實(shí)物加工，表明合適的高阻微帶線寬度和長(zhǎng)度能實(shí)現(xiàn)一定頻帶內(nèi)的匹配。
作者：劉娟 錢興成 朱臣偉 單位：南京電子器件研究所