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射频/微波电路中的薄膜无源器件

作者:Ron Demcko  发布:2009-11-27 人气:2385

就在不久之前,大多数微波电容器还都基于多层陶瓷烧制技术。在生产过程中,多层高导电性的金属合金电极层和低损耗的陶瓷绝缘层交错排列,从而得到所需要的电容值。然后,将合成的叠层进行高温烧制,将其烧结成单片结构。这一工艺目前仍然很好地满足大容量射频电容器以及大功率电容器的需要。


不过,多层陶瓷工艺可能会导致不同批次产品以及同一批次不同产品之间的某些参数出现差异,而这些参数对射频设计人员来说是十分重要的,如Q值、ESR,绝缘电阻的变化以及电容值在整个指定的容差范围内的变化。尽管在许多应用场合中,这些参数变化并不会产生负面影响,目前在薄膜元件生产领域的技术突破为,设计人员提供了生产高频微波元件的一种替代方案。


生产半导体所使用的薄膜技术也可以同样用于生产具有严格的电气和物理特性的薄膜无源元件。线宽尺寸和绝缘层厚度可分别达到1μm和10nm以下。


严格的线宽尺寸带来了严格的参数容差(电感值和电容值),此外,其他几项电气性能优势也可以得到进一步优化。由于采用了高真空电极沉积工艺,不同批次产品之间以及同一批次不同产品之间的ESR值极其稳定。而通过化学气相沉积工艺(CVD)得到的超纯净、低K值的绝缘层使得Q值和ESR值都十分稳定。在很宽的频率范围内阻抗值具有稳定性和可预测性。平面栅格阵列(LGA)封装工艺使其能够降低寄生参数。


薄膜元件的这些性能优势会对设计产生影响。通常,对于实现某一特定电路功能,可以减少所需的元件数量。通过减少所用的元件数量,不但会减小设计尺寸,还会节省组装时间和降低组装费用,同时提高产品的可靠性。此外,由于元件的电气性能更加稳定,损耗更低,应用此元件的产品的整体电气性能也会得到提升。


实例:带阻滤波器
带阻滤波器就是薄膜元件的一个实际应用。带阻滤波器的电路设计是阻止特定射频频谱的信号通过而允许其他信号无衰减通过。它也常被称为陷波滤波器、带止滤波器或频带抑制滤波器。带阻滤波器常用于功率放大器和天线前面的匹配电路之间。


以一个典型应用为例。复杂的、覆盖范围广的多带无线电接收器常会意外产生差频和谐波,窄带陷波滤波器就用于衰减这些差频和谐波。由于薄膜近乎完美的特性,使用一个高品质薄膜电容器就可以替换掉双T形设计中所使用的6个元件。


薄膜电容器(如图1所示)还具有一项前面没有提及的性能优势:它的响应只有1个谐振点,因为这种器件使用单绝缘层设计封装成多层陶瓷电容器(MLCC)。图2显示了这种薄膜电容器的部分S21前向传输损耗特性曲线。

图1 薄膜电容器的结构

图2 S21前向传输损耗特性曲线

制造厂商选用薄膜电容器元件,不但可以获得单层电容器优越的电气性能,还可以尽享MLCC类型元件应用的便利之处。图3显示了薄膜电容器性能的稳定性对电极和氧化层厚度的影响,以及其质量对绝缘层K值的影响。

图3 与MLCC相比,薄膜电容器的频率响应具有优异的可重复性


我们必须认识到薄膜电容器用作带阻滤波器是具有局限性的。因为薄膜电容器通常只能提供小电容值,所以它们局限于频率相对较高的带阻滤波器设计。如果涉及到低频设计,必须采用其他的滤波器方法,通常是使用高Q值的多层射频电容器。

薄膜电感
与空气芯电感相比,薄膜电感具备许多实用的优点(尽管它们无法达到相同的Q值)。在表面贴装过程中,薄膜电感要比空气芯电感更便于抓取和放置。应用目前装配中通用的IR、蒸汽相法和波工艺也很方便对其进行处理。此外,薄膜电感在这些处理过程中以及搬运和强震动环境中都能够保持电感值不变。尽管它们不能像空气芯电感那样在电路中进行调谐,但是一旦确定了实现一定电路功能所需要的准确电感值,就可以使用薄膜电感来替代空气芯电感(假定Q值能够满足需要)。

与薄膜电容器的情况相仿,薄膜电感的ESR和损耗显著降低,这得益于线宽控制以及绝缘层沉积的质量/精度。这使得成品尺寸可以减小到0402封装,并可以实现几乎任何所需的电感值,同时容差精度接近0.05nH。此外,稳定的金属化工艺使得薄膜电感具备了较高的载流能力:不同产品之间载流能力存在差别,最高可达1000mA。


薄膜电感可用于宽带放大器的频率补偿。以前使用的是电阻/电感组合。同薄膜电容器的情况一样,使用薄膜电感器可以减少电路中使用的元件数量,从而减小成品尺寸、降低重量、简化装配、降低成本并提高可靠性。


如同薄膜电容器一样,薄膜电感器只能提供较小的电感值,所以应用上是存在限制的。


也就是说,薄膜电感器可以为设计人员在极高频率处提供一个很好的解决方案。一个常见的应用实例是频率高达数吉赫的振荡器。在高频处,使用线绕电感是不现实的,因为目前生产电感值如此之小的线绕电感的技术尚不具备。


在这种应用场合,设计人员只有两种选择:使用PCB电路板蛇形走线的线路设计来获得低电感值的电感,或者选择微型的表面封装薄膜电感器。


其他薄膜元件
应用从制造薄膜电容和薄膜电感中获取的知识和工艺能力,人们已经开发出许多其他元件,其中包括耦合器和谐波低通滤波器。

 

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