薄膜衰减片的仿真设计.docx
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薄膜衰减片的仿真设计
电子工程学院
中国人民
解放军
2014届本科学员毕业设计报告
论文题目：
薄膜衰减片的仿真设计
学员姓名：
崔国瑞
学员队别：
二十三队
专业名称：
雷达工程
指导教员：
唐伟
二〇一四年月日
指导教员对毕业设计（论文）报告的评语：
指导教员：
日期：
年月日
室级答辩评语及成绩：
答辩组负责人：
日期：
年月日
专业系意见：
专业系领导：
日期：
年月日
院级答辩评语及成绩：
答辩组负责人：
日期：
年月日
摘要
随着微电子技术、计算机技术的发展，微波无源组件作为无线通信及雷达系统的核心器件之一，要向小型化、轻量化、高性能和高可靠性的方向发展。
本文研究了微带衰减器的设计方法，设计了两种类型结构的小型衰减器。
运用散射网络分析方法重点研究了无源电阻式衰减器，根据
分析和仿真结果优化衰减片的参数。
以片式器件的形式设计了衰减量分别为3dB,6dB,固定衰减器和衰减组。
采用AnsoftHFSS软件建立的器件模型，性能满足设计要求。
Abstract
Alongwiththedevelopmentofmicro-electronicstechnology,computertechnology,wirelesscommunicationsandmicrowavepassivecomponentsasoneofthecorecomponentsoftheradarsystem,tothesmallsize,lightweight,highperformance,andhighreliabilityof.DesignmethodofmicrostripAttenuatorisstudied,designedastructureoftwotypesofsmallattenuator.Methodforanalysisusingthescatteringnetworkfocusesonpassiveresistiveattenuatorsattenuationparameteroptimizationbasedonanalysisandsimulationresults.BasedonaTablet-styledeviceisdesignedintheformofattenuationdifference3dB,6dB,fixedattenuatorandattenuatedgroup.AnsoftHFSSsoftwaremodelofthedevice,theperformancemeetsthedesignrequirements.
1.引言
衰减器作为一种基本的电子元件应用十分广泛。
例如在测量大功率的过程中，可以利用衰减器来降低功率到适合仪器测量的水平上。
分布参数小、频率响应较好是微带型功率衰减器的突出优点，因此在各种微波系统和设备中被广泛应用。
随着通讯在环保，医疗，卫星，军事，广播，电视等各方面领域的迅速发展，为了提供更好的通讯服务，提高信息传播的速度，保密性，完整性，我们对通讯设备要求也越来越高。
特别在自动测试与控制方面，我们需要体积小、宽频带、动态范围大、精度高并且能够实现由计算机程序控制的可变衰减器，即程控衰减器。
而衰减器中最为重要的核心部件，便是衰减片。
薄膜衰减片具有频带范围宽、驻波系数小、衰减量精密平坦、体积小等许多优点，近年来在电子通讯、雷达技术、宽频带测童以及精密传输线等方面获得了愈来愈广泛的应用。
随着近几年国内各类高端产品对信息传播的要求日益提高，高端进口应用模式的国内制造理念已经很难长久。
一来只有某些特大型国有企业有资金发展高端产品，但由于大量依赖进口，成本高昂，本地化发展缓慢，产能不足，已经严重制约日益提高的国内消费要求，同时也大大加重了国家的经济负担。
二来由于西方虽然对我国输出高端产品，但技术输出却步步限制，高端测试设备，工艺设备，限制出口，导致目前国内空有理论发展，但无法实现产品，只能为国外所垄断。
所以目前我们急需使产品在降低成本的前提下，提高性能，以满足国内信息产业发展的需要。
2．微波功率衰减器的理论基础
衰减器是一种用于传输系统中降低输入信号功率，而不会引起信号产生显著畸变的无源网络。
作为一种能量损耗性射频/微波元件，内部含有电阻性材料。
除了常用的电阻性固定衰减器以外，还有各种利用PIN二极管和场效应管制造的电控快速调整的可变衰减器。
为了调节电路传输电平，实现电路系统多端口对电平的要求，可以用衰减器对信号源去耦，也可以用其缓冲阻抗变换带来的影响，达到改善阻抗匹配的目的。
目前，微波衰减器作为一种常见的器件，已经广泛使用于需要功率电平调整的各类场合。
2.1.功率衰减器的原理
所谓功率衰减器，就是一种能够在指定的频率范围引入预先指定衰减的电路。
一般以所引入衰减的分贝（dB）数及其特性阻抗的欧姆（
）数来标明。
衰减器广泛使用于有线电视系统来满足多端口对于电平的要求。
例如在放大器的输入、输出端口电平的控制、分支衰减量的控制。
根据是否使用控制电平，可以将微波功率衰减器分为无源衰减器和有源衰减器两种。
无源的衰减器分为固定式衰减器和可调式衰减器;有源衰减器与其他热敏元件相配合可以组成可变的衰减器，这种装置放于放大器内，可以用于自动增益控制（AGC）电路和自动斜率控制（AGS）电路中。
2.2.功率衰减器的基本构成
构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。
通常用电阻性材料实现的衰减器是作为一种大功率衰减器的基本形式出现的，这样形成的电阻式衰减器网络就是集总参数衰减器。
可以通过一定的工艺手段将电阻性材料放置到所要求的波段的射频/微波电路中，最终形成了相应频率一定指标要求的衰减器。
2.3.功率衰减器的主要用途
（a）控制功率电平:
对本振输出功率进行控制的微波超外差接收机，为了达到最佳的接收效果，可以通过获得光敏衰减器最佳噪声系数和变频损耗的方式来实现。
在微波接收机中，同样可以通过衰减器实现自动增益控制（AGC），改善动态范围相应，达到最佳的接收状态。
（b）去耦元件:
衰减器可以作为振荡器和负载之间取出耦合效应的元器件。
（c）相对标准:
衰减器可以作为功率电平比较的相对标准。
（d）用于雷达抗干扰中的跳变式衰减器:
这种衰减器是一种衰减幅度能够实现突变的可变式衰减器，平时不会引人衰减量，但当受到外界环境的干扰时，就会突然增大衰减量。
若从微波网络的观点来看，衰减器可以看作是一个二端口有耗微波网络，它属于通过型微波元件。
2.4.功率衰减器的技术指标
功率衰减器有多项技术指标，这里主要讲解其主要的几种技术指标。
2.4.1工作频带
衰减器的工作频带，是指在指定的频率范围内使用衰减器时，才能达到指标衰减量的频率带。
由于微波/射频结构和频率密切相关，对于不同频段的元器件，结构不同，导致衰减器不能通用。
现代采用同轴结构的衰减器工作频带相当宽，因此在设计或者使用的过程中要多加注意。
一般可以用兆赫兹（MHz）或者吉赫兹（GHz）来表示。
通用的衰减器一般带宽为5GHz左右，最高可达到50GHz。
2.4.2衰减量
用于描述信号传输的过程中从端口的一端到另一端的量值减少程度。
可以用倍数或者同轴衰减器分贝数表示。
无论形成功率衰减的机理和具体结构如何，总是可以用如图2.4.1所示的二端口网络来描述衰减器。
图2.4.1功率衰减器二端口网络
图2中，信号输入端功率为P1，输出端功率为P2，衰减器的功率衰减量为A（dB）。
若Pl,P2以分贝毫瓦（dBm）来表示，则两端功率之间的关系为
P2（dbm）=P1（dbm）-A（dbm）（2-1）
即
（2-2）
可以看出，衰减量用来描述功率通过衰减器后的变小程度。
衰减量大小主要是由衰减器的材料和结构来确定的。
衰减量以分贝（dB）为单位，这样便于整机指标的计算。
2.4.3功率容量
作为一种能量消耗元件，衰减器消耗的功率最终将以热量的形式耗散。
因此当材料结构确定以后，衰减器的功率容量也就确定了。
如果衰减器所承受的功率超过这个极限值，就会被烧毁，最终失效，影响电路整机系统。
2.4.4回波损耗
回波损耗就是衰减器的驻波比，按要求，衰减器两端的输入输出驻波比最好尽可能小。
因为我们希望衰减器只是一个功率消耗的元件，而不对两端的电路产生影响，换句话说，衰减器应该与两端电路匹配使用。
在衰减器的设计过程中一定要考虑这一因素。
2.4.5功率系数
当输入功率从100mW变化到额定功率时，衰减量的变化系数可以表示为dB/（dB*W）。
衰减量的变化值具体算法是将系数乘以总衰减量功率（W）。
例如:
一个功率容量为SOW时，标称衰减量为40dB的衰减器的功率系数为0.001dB/（dB*W），这就意味着当输入功率从10mW加到50W时，它的衰减量会变化0.001*50*40=2dB之多。
2.4.6最大平均功率
在衰减器的输出端接上特性阻抗时，在指定的最高工作温度下可以长期加到衰减器输入端的最大功率。
当工作温度降到20℃，输入功率降到10mW时，衰减器的其他指标不应该发生变化。
3．衰减器的分类
衰减器可以分为集总参数衰减器和分布参数衰减器。
3.1.集总参数衰减器
利用电阻构成的T型或π型网络来实现集总参数类型的衰减器。
在通常的情况下，衰减量是固定的，由三个电阻的阻值来决定需要多大的衰减量。
在这里，电阻兼有阻抗匹配和阻抗变换的双重作用。
这两种电路的拓扑结构如图2.4.2所示，图中Z1,Z2是电路的输入、输出端的特性阻抗。
根据电路两端阻抗使用情况的不同，可以将电路分为同阻式衰减和异阻式衰减两种情况。
图2.4.2功率衰减器
同阻和异阻的区别主要在于两端的阻抗是否相同，我们将要仿真的薄膜衰减片主要是同阻式衰减器，所以一下主要介绍同阻式衰减器。
同阻式衰减器的两端阻抗是相同的，即
不需要进行阻抗变换，可以直接应用网络级联的方法求出衰减量和各电阻值的关系。
3.1.1.T型同阻衰减器（
）
对于如图2.4.2（a）所示的衰减器，取
。
我们可以利用三个[A]参数矩阵相乘的办法求出衰减器的[A]参数矩阵，再换算成[S]矩阵，就可以求出它的衰减量。
串联电阻和并联电阻的[A]网络参数如下:
的传输矩阵：
（3-1）
的传输矩阵：
（3-2）
相乘可得：
（3-3）
转化为S矩阵：
（3-4）
对功率衰减器的要求是衰减量A为20lg|
|=-∞。
求解联立方程组就可以解得各个阻值，下面就是这种功率衰减器的设计公式。
（3-5）
3.1.2.π型同阻式（
）
对于如图2.4.2（b）所示的π型同阻式衰减器，取
.我们可以利用上述T型同阻式衰减器的分析和设计方法，过程完全相同，相乘的办法求出衰减器的[A]参数矩阵，再换算成[S]矩阵，就可以求出它的衰减量，所得出的结果由式（3-6）给出。
（3-6）
3.2.分布参数衰减器
3.2.1.同轴型衰减器
3.2.1.1.吸收式衰减器
在同轴系统中，吸收式衰减器的结构有三种形式:
内外导体间电阻性介质填充、内导体串联电阻和带状线衰减器转换为同轴形式，如图3.2.1所示。
衰减量的大小与电阻性材料的性质和体积有关。
图3.2.1三中同轴结构式吸收衰减器
3.2.1.2.截止式衰减器
截止式衰减器又称为“过极限衰减器”，是用截止波导制成的。
其结构如图3.2.2所示。
它是根据当工作波长远大于截止波长凡时，电磁波的幅度在波导中按指数规律衰减的特性来实现衰减的。
图3.2.2截止式衰减器
3.2.2.波导型衰减器
3.2.2.1.吸收式衰减器
最简单的波导吸收式衰减器是在波导中平行于电场方向放置一个具有一定衰减量的吸收片组成的。
因为有损耗性薄膜或者介质表面有一定的电阻，所以沿其表面的电磁波电场切向分量，将在其上引起传导电流，形成焦耳热损耗并以热能的形式散发掉。
只要控制衰减器的衰减量，就可以使信号通过衰减器后被减弱到所需要的电平。
图3.2.3给出了一个最简单的吸收式衰减器:
分为固定式和可变式。
固定式衰减器吸收片的位置和面积固定不变，而可变式衰减器可以通过传动机构来改变衰减片的位置或面积，最终实现衰减量的改变。
一般情况下，吸收片是用陶瓷片、云母、硅酸盐玻璃、纸（布）胶板等作为基片的，在上面通过喷镀或涂覆镍铬合金或者石墨粉的方式来实现。
在制作的过程中，要求基片尽可能的薄，并且要有一定的强度，这样才能保持平整和不变形。
吸收片沿着横向移动的衰减器，在吸收片移到电场最大处，吸收的能量最多，衰减量达到最大值，而贴近窄壁处时的衰减量达到最小。
片的位移可以通过外附的机械微测量装置读出，片位移与衰减量的变化不是线性关系，有时候甚至不是单调变化的，这是由吸收片在不同位置时对横向场型分布影响的程度来决定的。
在实际的使用这类衰减器之前，应该用实验的手段借助精密的衰减标准作出定标校正曲线图。
图3.2.3吸收式衰减器结构示意图
刀型旋转片式衰减器的衰减量正比于旋入波导内面积。
这种结构特点的衰减器的优点是起始衰减量是OdB，此时对波导内波导传输不起影响作用。
当刀片旋入时，由于波导内不附加任何的支撑物，此时，输入的驻波比接近于1。
通过设计合适形状的刀片可以实现衰减量与深度读数或者机械转角之间接近线性的关系，在全部衰减量可变范围内保持足够高的精准度。
当然任何结构都不是完美无瑕的，例如固定式衰减器就有少量磁能从波导中漏出的缺陷，并且在机械强度上性能也略差。
从多种方面来进行比较看，刀型旋转吸收片式衰减器在结构、安装方便等特性方面比横向移动吸收片衰减器更具有优越性。
由于横向移动式衰减器和刀片旋入式衰减器都是粗调方式实现衰减，所以精准度都不是很高，要实现高精度，就必须需要校准曲线配合使用才能获得所需的定量衰减值。
3.2.2.2.极化吸收式衰减器
极化吸收式衰减器是一种高精准度的衰减器，其结构如图3.2.4所示，是由三段波导组成的。
两端是固定的矩形波导到圆柱波导的过渡段，中间则是一段可以绕着纵轴转动的圆柱形波导。
在每段波导中部沿轴向来放置厚度极薄的能完全吸收与其平行的切向电场和吸收片，每段中吸收片的相对位置如图中所示。
圆柱形波导旋转的角度B可以用精密传动系统测量并且显示出来，角度的变化也就是极化面的变化。
极化衰减器的变化量为
（3-7）
图3.2.4极化吸收式衰减器原理图
3.2.3.微带衰减器
通过在微带线的表面镀膜一层电阻材料或者采取涂覆的方法即可实现衰减。
近代常用的吸收电磁波材料是橡胶，将其裁剪至合适的尺寸，用交粘连的方式配置到电路上。
在微波有源电路的调整中，会用吸波材料来消除杂波、高次模带来的影响，从而起到控制组件泄露等目的。
4.衰减器的设计方法
上一章在介绍功率衰减器的基础理论中关于衰减器的分类中，重点介绍了同阻式固定衰减器的传输矩阵和参数提取的方法。
这些基础方法为本章衰减器的设计做好了前期的理论工作，本章将以此为依托，构造出具有不同衰减结构类型的衰减器。
在本设计中，所使用的金属层为银，厚度为10um;每层陶瓷基板的厚度为40um,介电常数为7.8，损耗角正切为0.0015，基板为五层陶瓷基板;金属的通孔直径为175um，选用的方阻阻值是75
/□。
传输线的特性阻抗为50
。
本文所设计的衰减器为固定式衰减器。
对于固定式衰减器，基本技术指标为:
中心频率
=1.5GHz，带宽BW=lOGHz，实现固定衰减量分别为3dB,6dB和10dB的衰减组，实现的结构类型是悬置微带结构，实现一定量程的最小衰减和最大衰减。
4.1微波仿真软件简介
自20世纪80年代开始，微波电路技术的应用方向已逐渐从传统的波导和同轴线元器件转移到了微波平面电路系统。
由于微波平面电路设计一直以来都是一项比较困难并且复杂的工作，需要不断的调试才能完成。
随着市场需求的不断攀升，近年来对于射频电路应用频率变得越来越高。
为了满足信号传输率的高速化，信道带宽也逐渐变宽，电路的各项指标和参数要求也愈加严格，产品功能要求多元化，器件尺寸也要求越来越小，与此同时，要求的产品设计周期却越来越短。
因此，对于现代电路的设计要求来说，传统的设计方法已经不能满足这一要求，必须借助微波仿真软件来进行电路的设计。
商业化的微波EDA软件于20世纪90年代大量涌现，是计算电磁学和数学分析研究成果计算机化的产物，集计算电磁学、数学分析、模拟实验方法于一体，通过仿真可以预期实验结果，得到直观的数据，是设计射频微波电路的有力工具。
在本文的设计工作中，主要用到Ansoft公司的HESS。
下面将对本设计使用的这款软件作简要介绍。
AnsoftHFSS是Ansoft公司推出的一款基于FEM（有限元法），针对高频结构的电磁仿真软件。
它以仿真精度高、操作界面方便易用、成熟的自适应网格剖分技术得到了业界的青睐。
其直观的后处理器及独有的场计算器，可计算分析显示各种复杂的电磁场，并利用Optimetrics可以对任意的参数进行优化和扫描分析。
对于设计结构复杂的天线等器件来说，HFSS是一个很好的仿真工具。
由Ansoft公司推出的AnsoftDesigner和AnsoftHFSS这两款仿真软件，提供了小到部件级，大到电路甚至系统级的快捷精准的设计手法，是目前各类电磁仿真软件中唯一采用物理原型为基础的高频设计解决方案，覆盖了高频设计所以步骤和环节。
4.2.微带衰减器的设计过程
4.2.1.技术指标的定义
微波射频电路中含有不同的功能模块，而对于每个电路模块来说都具有不同的技术指标。
比如对于衰减器，它的技术指标包括它的工作频率，衰减量，中心频点的回波损耗，工作带宽，驻波比，插入损耗等;而对于滤波器，它的技术指标包括它的工作频率，工作带宽，插入损耗，回波损耗，电压驻波比等。
技术指标的确定为后续的电路设计提供了标准，指导接下来进行的各项设计工作。
4.2.2.原理电路和元件参数的设计
根据技术指标的定义来确立等效电路。
在整个高频电路设计工作中等效电路的设计很关键，元件之间存在耦合效应，即使可以找到满足技术指标的原理电路，建立实际的3D物理模型后也可能会出现测试结果的偏差。
在这种情况下由于每个元件参数都是电路技术指标与实际物理电路沟通的桥梁，因此需要通过调谐元件参数值来实现电路可行的问题。
总而言之，设计原理电路既要考虑电路的设计满足性能技术指标，又要考虑后续物理电路的可实现性。
4.2.3.3D模型建立和仿真优化
首先建立高频电路元件模型，分析R,L,C或不同传输线结构及等效电路。
微波射频电路中由于存在寄生效应，所以应考虑元件值的变化。
首先应对建好的3D物理模型结构进行全波电磁场仿真分析，通过优化元件尺寸和拓扑结构达到预定的各项技术指标要求。
对于实际的模型，由于每个元件存在寄生效应的影响，将这些元件组合时会产生各种寄生耦合，很大程度影响了实际电路的性能。
通过调整元件结构和物理位置布局可以减小或消除寄生参数，实现预定的性能指标。
4.2.4.模型加工及测试
当3D模型仿真结果符合技术指标后，接下来应提取模型的物理结构版图，完成布版后可流片加工。
对加工后的产品进行测试，测试结果对比仿真结果，若存在较大的差异，则需要查找原因调整设计参数，直至测试结果和仿真结构满足要求。
出现差异的原因可能是3D模型电路结构问题，这时退回到第三步，调整3D模型结构尺寸和相关参数;也可能是一些制造过程的因素引起的。
通过这样一个循环验证的设计加工过程，直至测试结果与仿真结构符合设计要求。
4.3.悬置微带薄膜衰减片设计与仿真
本次设计悬置微带结构的薄膜衰减片，外层为圆柱形金属外壳，外壳半径略小于基板宽度，边缘处与基板上导线接触，相当于接地。
本次设计的传输线的在阻抗为
环境下工作，所以首先通过软件仿真，优化导线线宽，得到合适的特性阻抗。
计算特性阻抗时先不计算衰减片，如图4.3.1。
图4.3.1悬置微带3D结构
仿真结果如图4.3.2:
图4.3.2特性阻抗仿真结构
导体受趋肤效应和介质损耗的影响，会有部分误差，所以以上仿真结果满足设计需要。
4.3.1.同阻式薄膜衰减片3db衰减器
同阻式集总参数衰减器A=-3dB，特性阻抗Zo=50
。
在CAD三维电磁仿真软件AnsoftHESS中建立其仿真模型。
图4.3.3三维视图
图4.3.4俯视图
以悬置微带薄膜衰减片为模型研究薄膜衰减器的性能特性，图4.3.4可等效为一Tπ型衰减器，中间与导线相连的等效于π型衰减器的串联电阻，中间导线部分的宽度，决定了串联部分的电阻值，两边与接地导线相连的部分等效为并联电阻，可以得知，方阻的变化会直接导致串并联电阻的一起变化，所以对衰减量的影响较小，本次主要优化衰减片的宽度和中间导线的线宽。
由公式（3-5）计算得出等效π型衰减器的各个元件参数值:
。
器件各个线宽和长度如图4.3.5。
图4.3.5元件参数
首先对w2进行优化仿真，可以得到多个衰减曲线，如图4.3.6。
图4.3.6w2优化仿真结果
通过优化仿真可以得到，衰减量随着衰减片的线宽的变化而变化，其变化趋势随着衰减片的变宽而增大。
通过误差分析，可以得到最优数据为0.25mm，然后再对线宽w3进行优化设计，得到仿真曲线如图4.3.7。
（a）s（2,1）
（b）s（1,1）
图4.3.7w3优化仿真结果
通过优化仿真可以得到，衰减量随着中间导线的线宽变化而变化，其变化趋势与衰减片的正好相反，中间导线越窄衰减量越大。
通过仿真结果得到最优设计结果为0.55mm，回波损耗大于25dB。
则最终的设计结果如表1。
L1
7
W0
4
W1
2.4
W2
0.25
W3
0.55
表1器件优化后的元件参数（单位：
mm）
最终3dB衰减器的仿真曲线为图X。
图4.3.8最终的仿真结果
可以看出，中心频率和带宽均满足要求，衰减量3dB，可见所有指标基本满足要求。
4.3.2.同阻式薄膜衰减片6db衰减器
同阻式集总参数衰减器A=-6dB，特性阻抗Zo=50
。
在CAD三维电磁仿真软件AnsoftHESS中建立其仿真模型，如图4.2所示。
维电磁仿真软件AnsoftHESS中建立其仿真模型。
图4.3.9三维视图
图4.3.10俯视图
由公式（3-5）计算得出等效T型衰减器的各个元件参数值:
。
与3dB衰减器做法相同，先对衰减片线宽为w2进行优化仿真，仿真结果如图4.3.11。
图4.3.11w2优化仿真结果
通过优化仿真可以得到，衰减量随着衰减片的线宽的变化而变化，其变化趋势随着衰减片的变宽而增大。
3dB和6dB的变化趋势是一样的，所以中间导线线宽的变化趋势也一样。
可以得到w2最优选择为0.6mm。
继续对于衰减片接触部分的导线线宽w3进行优化仿真，如图4.3.12。
（a）s（2,1）
（b）s（1,1）
图4.3.12w3优化仿真结果
通过仿真结果得到最优设计结果为0.85mm。
回波损耗大于20dB，则最终的设计结果如表2。
L1
7
W0
4
W1
2.4
W2
0.5
W3
0.45
表2器件优化后的元件参数（单位：
mm）
最终6dB衰减器的仿真曲线为图4.3.12。
图
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