摘要：本文以T型衰减网络结构为基础，设计且仿真了微波薄膜衰减片，运用BeO基片上，运用磁控溅射法，制备了TaN微波薄膜衰减片，成功制备了微波同轴衰减器。经最终仿真结果可知，在DC~3GHz工作频率内，所设计的微波同轴衰减器衰减量为12dB，输入端口的电压驻波比＜1.1。经测试得知，在DC~3GHz工作频率内，所制备的微波薄膜衰减片衰减量为（12.0±0.4）dB。
关键词：微波同轴衰减器；T型衰减网络
微波同轴衰减器作为一种双端口微波元件，在整个传输系统当中，能够实现电磁波场强相应振幅的降低，对其传播常数进行有效调节。于传输系统内，如若需对传输功率相应功率电平施加控制时，则须将衰减器接入，促使波功率出现一定量的衰减，所以微波同轴衰减器在各种微波系统中得到广泛应用。伴随当今电子通信设备、无线电通信系统的发展，基于微波同轴衰减器受到越发重视。
同轴衰减器组成以T型衰减网络的衰减片为基础，设计完成了工作频率为DC~3GHz的12dB微波同轴衰减器，运用Ansoft HFSS软件，对微波同轴衰减器微波传输特性进行仿真。结合仿真的尺寸、结构，运用直流反应磁控溅射，完成了微波同轴衰减器的制备。该微波同轴衰减器除了容易与各种电路连接，还具有稳定可靠的电性能及机械性能，加工、装配更为简化与实用。
1.衰减片设计与仿真
针对微波衰减网络来讲，其结构有两种，其一为T型，其二为Π型，本文以T型衰减网络结构为基础，以此来完成微波薄膜衰减器的具体设计工作。图1为T型衰减网络示意图。
针对微波同轴衰减器来讲，其主要有金属电极、薄膜电阻、介质基片和连接器壳体构成。基片选择BeO陶瓷基片（3.2mm×4.4mm× 1.0mm），其介电常数9.7，薄膜电阻所选用的是TaN材料，方阻63.6 Ω/□。于接地端，本文为了简化工艺，利用基片端面卷绕接地方法，实现了基片背面接地板与2个接地电极的之间互相连接。本文所设计的12dB衰减器，无论是输入阻抗，还是输出阻抗，R0都是50Ω，运用上述公式，能够将R1计算出来，即29.8Ω，看还能将R2计算出来，即26.7Ω。在设计过程中，将对称性考虑在内，用2个阻值为53.6Ω的电阻R3，把电阻R2并联来实现。依据TaN薄膜实际方阻的大小，将R1、R3薄膜电阻实际几何尺寸计算出来，运用仿真软件Ansoft HFSS，完成衰减器模型的构建，且开展微波性能仿真，以此来实现衰减器相应电极结构尺寸的优化。图2为经过优化之后的微波薄膜衰减片的仿真结果。
图2 S21与VSWR参数随频率变化曲线
基于图2可知，其所显示出的衰减量（|S21|）随频率相应变化曲线，于DC~3GHz内，|S21|都是12dB，且十分平坦。此外，电压驻波比（VSWR）伴随频率所呈现出的变化曲线可得知，于DC~3GHz内，VSWR都＜1.1，由此可知，所设计的器件匹配良好，位于衰减器当中的信号，其衰减实现途径为电阻吸收功率，并非因不良的阻抗匹配所致反射。
2.阻抗匹配
依据经优化而设计出的微波薄膜衰减片结构与尺寸，选用丝网印刷工艺，于BeO基片上（厚度1mm），完成接地金属面以及银电极的制备工作。而后，运用直流反应磁控溅射法，利用掩膜图形化技术，完成TaN薄膜电阻的制备。然后将制备好的微波薄膜衰减片，安装于连接器外壳内部形成同轴衰减器，运用R&S ZNB40矢量网络分析仪，对同轴衰减器指标进行测试。
3.产品装配
先将微波同轴衰减器中心导体和绝缘支撑装入外壳固定好，在将衰减片安装于腔体内，对衰减片进行固定，再将衰减片的输入，输出端与转接器内导体焊接，形成微波同轴衰减器主体。
4.结果与讨论
见图3，此图所展示的是DC~3GHz内薄膜衰减片VSWR测试结果与S21参数。由此可知，于DC~2.0GHz内，所设计的微波薄膜衰减片在衰减量上，大致维持在12dB，而于2.0~3.0 GHz时，则衰减量则会＞12dB，增加至12.5dB。因此，在DC~3GHz，衰减量（12.0±0.4）dB，符合仿真结果。此外，于DC~1.8GHz内，则VSWR大致＜1.5，而位于1.8~2.6GHz时，那么VSWR会随之增加，即2.0，当处于3.0GHz时，增加至2.3。尽管所得出的仿真结果当中，于DC~3GHz内，VSWR均＜1.1，但从本质上来讲，器件具有偏高的VSWR，究其原因，主要因为存在较大的工艺误差，采用掩膜图形化工艺所制作的TaN薄膜，与采用丝网印刷工艺所制作的银电极，在对准方面有误差。通过细致测量得知，所制作的器件当中，电阻、电极尺寸对照于设计尺寸，存在偏差，这便造成阻抗失配。另外，将薄膜衰减片焊接于连接器的中心导体时，均会导致一定失配。针对上述误差来讲，如若所导致的阻抗不匹配，存在比较高的频率时，表现更为突出，因此，伴随频率的升高，VSWR随之而增大。
图3 衰减器S21与VSWR的测试结果
5.结论
综上，由最终仿真结果可知，于设计的频率范围内，衰减量都是12dB，有着不错的输入端口匹配，VSWR＜1.1。基于BeO基片上，完成了微波同轴衰减片样品的制作工作，装配外壳经测试，结果可知，在DC~3GHz内，衰减量维持在（12.0±0.4）dB，因制备工艺影响，易存在误差。通过装配产品，验证了衰减片的T型结构合理性，保证了微波同轴衰减器的指标。
参考文献
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作者简介
王昊（1987-09），男，汉族，籍贯：陕西省商州市，学历：本科，研究方向：微波器件（同轴匹配负载、功分器、衰减器）。
论文作者:王昊,杨晗
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/30
标签：衰减器论文; 微波论文; 同轴论文; 薄膜论文; 电阻论文; 频率论文; 电极论文; 《电力设备》2017年第16期论文;