1. 引言

GaAs单片微波集成电路(MMIC) [1] 具有体积小、重量轻、稳定性好，且在达到规模效应后，成本低的优点，在军事电子、卫星通信等各类军民领域有着广泛应用 [2]。而我国MMIC技术较国外落后，加之国外对先进技术的封锁，许多先进MMIC芯片依赖进口，交货时间长、价格昂贵，对我国国防军事、航天航空领域发展造成了阻碍。因此，研发国产MMIC芯片势在必行。近期，随着国产化进程的推进，国内已有不少相关论文 [3]、产品相继产出，但随着军事、卫星通讯等方面的快速发展，大功率、宽带应用的需要尤为突出，故，本文着重于设计与研发大功率宽带衰减器MMIC。GaAs基相比于Si基拥有更好的高频特性，这也是选用GaAs作为本设计基底的主要原因之一。

2. 衰减器原理与结构

2.1. 衰减器的结构

衰减器是两端口器件，主要用来控制电路传输功率的大小，在放大器，信号接收器，信号发送器等中都有应用 [4]，依据衰减量是否可变分为：固定衰减器和可变衰减器。可变衰减器非本文研究内容，不做赘述。固定衰减器仅由电阻构成，为功率吸收型衰减器，根据电阻结构排列分为T型(含桥T型)和π型两类 [5]，如图1、图2所示。

2.2. 衰减器的性能指标

对于各类衰减器，他们的评判性能指标的好坏都是一致的，以下为主要评判指标 [6]：

1) 工作频带

其是指所设计的衰减器可以正常工作的频率范围，一般来说，所设计衰减器可以正常工作的频率范围越宽，性能也就越好，也即工作范围越广，可以应用的场景也就越多。

2) 衰减量(插入损耗)

其为衰减器的主性能指标，在这里可以认为其就是插入损耗，直接衡量了对器件功率调节的多少，即信号在通过衰减器后，功率降低的多少，其大小等于衰减器输出端功率减去衰减器输入功率。

衰减器衰减量在频带中的稳定性主要取决于制作的材料与设计结构。

3) 平坦度

是指在指定频率范围内，衰减量的幅度变化值的多少，在达到标称值的同时，平坦度越低表示衰减量的变化越小，性能也就越好，对频率的敏感性也就越低，工作也就越稳定。

4) 回波损耗

回波损耗是反映输入、输出端口对于信号的匹配好坏的性能指标，常用负值表征，负值越小，性能越好，同时也可用驻波比(Standing Wave Ratio, SWR)来表示。驻波比越接近于1，其反射系数越小，代表信号能通过系统端口的性能越好。正如如今大多使用功率吸收型衰减器，而较少使用功率反射性衰减器，功率反射型衰减器的SWR较大，其性能较差。

5) 额定功率

因为衰减器的工作原理为通过电阻吸收功率，从而达到功率衰减的效果，功率也即能量的吸收必然产生热能，衰减器的结构确定后，额定功率也就确定了，超过设计衰减器的额定功率极有可能带来器件烧毁无法使用的后果，所以额定功率的大小，也代表了应用场景的多少。

2.3. 衰减器理论公式

利用转移矩阵与反射矩阵关系，可分别推导出T型衰减器与π型衰减器的电阻计算公式。

T型衰减器电阻值理论计算公式如下 [7] [8] [9]：

$c={10}^{\frac{A}{10}}$ (式1)

$R_1=R_2=Z_{in}\frac{\left|c-1\right|}{\sqrt{c}+1}-R_3$ (式2)

$R_3=\frac{2\sqrt{c\cdot Z_{in}\cdot Z_{out}}}{\left|c-1\right|}$ (式3)

c为由散射矩阵推出的衰减系数，A为衰减量， $Z_{in}$ 为输入阻抗， $Z_{out}$ 为输出阻抗。

π型衰减器电阻值理论计算公式如下：

$c={10}^{\frac{A}{10}}$ (式4)

$R_1=R_2={\left[\frac{c+1}{Z_{in}\cdot \left(c-1\right)}-\frac{1}{R_3}\right]}^{-1}$ (式5)

$R_3=\frac{\left(c-1\right)}{2}\sqrt{\frac{Z_{in}\cdot Z_{out}}{c}}$ (式6)

c为衰减系数，A为衰减量， $Z_{in}$ 为输入阻抗， $Z_{out}$ 为输出阻抗。

对比相同衰减值时(式1~3)与(式4~6)求得的电阻阻值，可发现T型衰减器电阻阻值小于π型衰减器电阻阻值，在设计中反而面积更大。且在相同情况下，π型衰减器接地较T型衰减器更好，可有效减少寄生效应，故使用π型进行衰减器设计。由(式4~6)可知，设计衰减值为5欧姆时的衰减器阻值分别为

$R_1=30.4\Omega$ (式7)

$R_2=R_3=178.5\Omega$ (式8)

3. 结构设计与仿真

3.1. 材料选择

在确定了基底为GaAs的情况下，由器件的工作原理决定，薄膜电阻材料的选择为衰减器设计中的关键一环，重点考虑以下方面 [9]：

1) 具有实际意义厚度和可控制的、可以得到的面电阻率(Ω/■)。

2) 较低的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)。

3) 紧密的阻值跟踪。

4) 在长时间使用中，受外界的影响和变化较小，比如在多次通电或者较高温度，造成的器件阻值的漂移。

常用的薄膜材料主要分为镍铬电阻与氮化钽电阻两类，两者的面电阻率都在25~300 (Ω/■)之间、TCR都较低，差别主要在于1000 h以上电阻漂移镍铬电阻(<2000 ppm)为氮化钽电阻材料(<1000 ppm)的一倍左右，但2000 ppm在实际使用中仍为一较小的值，再加之经济因素，本设计采用镍铬电阻材料作为薄膜电阻材料。

3.2. MMIC结构设计

在本文衰减器设计中，将π型结构展开为“H”型，好处是引入了更多分压支路，在增强了接地进一步减少寄生效应的同时，并且使散热面积增大且分布均匀，使散热更充分，减少由热效应引起的性能偏差、改善高频性能。电阻材料使用的是常用的NiCr材料。利用仿真设计软件，层级设置与仿真模型如下图3、图4，引出脚定义见表1：

3.3. 衰减器MMIC仿真

根据固定衰减器原理以及分压公式，可知衰减量为−5 Ω时所需电阻大小，综合考虑损耗、误差、回波损耗后，将设计带入EMA软件中仿真，以得出仿真结果。

由图5电磁仿真可以看出，在DC-40GHz的频率范围，S(2, 1)位于−4.95 dB至−5.05 dB之间，平坦度很好，满足衰减量为−5 dB的插损要求，S(1, 1)位于−24.75 dB以下，很好的满足设计所需要的回波损耗，高频性能得以保证。

为验证设计是否达到2W的承受功率，还需对衰减器电阻上的功率进行仿真分析，由于“H”型衰减器上下对称、左右对称，故利用仿真软件中的HB测试，只需测试三个电阻的功率，如图6(a)，图6(b)。在输入功率为34 dB时，位于“−”上的电阻在DC时通过功率最大，约为0.708 W，另两个电阻功率只取最大的验证，为40 GHz时的0.378 W。根据经验，设计线宽可满足2 W承受功率，且保有余量。

4. 成片与测试

4.1. 固定衰减器成片

衰减器实际成片如下图7：

4.2. 高频测试

为保证测试结果的准确性，排除误差影响，在超净实验室内使用高精度探针台、矢网仪对裸片进行测试。

由图8，图9可知，在DC-40GHz内，5 dB衰减器裸片S(1, 1)为−24.5 dB以下，S(2, 1)为4.92~5.25 dB之间，误差在±0.25以内，符合设计要求，采用此设计结构可以很好的满足高频性能。

5. 结论

将设计与实测对比，结果基本一致，偏差部分是由测试探针中类金丝效应引起，属于正常误差范围。后据实际功率耐受测试结果，设计满足2 W最大承受功率，裸片大小为1.2 × 1.0 mm，可使用QFN中2 × 2 mm的封装，衰减量为5 dB，频带范围DC-40GHz。表明此设计可用于场景需要，达到实际应用要求；实际成品可以从实验阶段推入量产。

参考文献