微帶芯片匹配電路設計分析論文
1微帶芯片互聯失配的主要原因及補償方法
對兩條同寬度、間隙為0.2mm的微帶線傳輸性能進行分析。在HFSS建立利用金絲鍵合實現兩微帶互聯的模型,通過仿真發現插入損耗和回波損耗隨着頻率的增加而增加,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,回波損耗小於-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償方法針對於寬度躍變,RakeshChadha和K.C.Gupta提出了切角補償法,通過自窄邊向寬邊方向切去部分微帶線的方法對不連續性進行補償,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°時的補償特性,結果表明θ=60°時,補償效果最佳。Malherbe和Steyn提出了邊緣漸變補償法,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徵阻抗連續變化,抵消不連續電容,如圖5(b)所示。切角補償法幾何形狀簡單,但僅在一定的介電常數和阻抗比(即一定的微帶寬度比)範圍內有效,邊緣漸變補償法只針對於寬度躍變產生的電容效應進行了消除。在上述典型互聯結構中,兩種微帶線寬度很大,且互聯時還存在微帶線間隙的不連續性、金絲寄生效應等,這兩種補償方法無法到達理想的效果。
1.2改進的失配補償方法
微帶與芯片互聯後的阻抗可以表示為R+jX(R-jX),補償的目的則是將負載阻抗R+jX(R-jX)變換為50Ω,實現阻抗匹配。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,分立元件寄生效應明顯,裝配時的焊錫流淌等對性能影響大且容易污染芯片,故採用微帶匹配。在微帶與芯片之間加一段高阻微帶線,實現微帶與芯片的匹配互聯。
2直接互聯與匹配互聯的仿真與測試
目前對微帶線不連續的'等效電路的討論均是在同一介質基板上,而在微帶芯片互聯的結構中,微帶線的尺寸跳變和間隙存在於不同介質基板上,等效電路中各元件的值發生變化,且由於微帶尺寸跳變、微帶間隙和鍵合金絲的相互影響,各元件值也不同於單獨的等效模型中元件值,解析方法複雜,通過仿真軟件分析其特性。在HFSS中建立微帶芯片直接互聯和匹配互聯的三維模型。GaAs芯片選用長度為1.6mm,厚度為0.102mm的50Ω直通芯片,其襯底的介電常數為12.9,50Ω微帶線寬度為0.073mm,芯片壓點面積約為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,保證可靠互聯的同時實現良好的微波傳輸性能。由於無法建立簡單的匹配電路實現全頻帶內的匹配,對25~30GHz內的匹配電路進行了設計,通過優化確定高阻微帶線的寬度為0.3mm,長度為3.35mm。對直通微帶和加入高阻線的微帶進行加工並製作實物,如圖7所示,其中上側為直接互聯,下側為匹配互聯。在25~30GHz頻率範圍內的仿真結果表明,匹配互聯回波損耗小於-20dB,相對於直接互聯減小了9dB以上;插入損耗小於0.1dB,相對於直接互聯減小了0.4dB左右。實物測試結果插入損較大的原因是未減去接頭和微帶線的傳輸損耗。實測結果趨勢與仿真結果吻合,表明此補償方法是有效的。進一步的仿真可以發現,減小高阻微帶線的長度能實現更高頻率的匹配互聯,採用多枝節匹配方式能實現較寬帶匹配,但是匹配電路尺寸將會增加。
3結論
對微帶芯片互聯產生失配的機理進行了分析,分析了產生失配的主要原因。通過研究傳統的補償方法發現其不足,採用了高阻微帶線進行了互聯匹配設計的方案。對高阻微帶線的寬度和長度進行仿真優化並進行實物加工,表明合適的高阻微帶線寬度和長度能實現一定頻帶內的匹配。
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