2024年4月9日发(作者：)

第58卷第3期

撳鈉电子技术

Vol. 58 No. 3

2021年3月

Micronanoelectronic Technology

March 2021

♦

MEMS

与#感器$

DOI

：

10. 13250/j. cnki. wndz. 2021. 03. 009

MEMS

微同轴宽带功分器

李康禾，李宏军，杨强，王建，史光华

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

摘要：随着微波系统大功率、超宽带的发展，对功率分配/合成结构的性能提出了更高的要

求，超宽带、低损耗、小尺寸、易于集成的功分器成为研究热点。基于微电子机械系统

(MEMS)工艺的微同轴射频传输线具有超宽带、无色散、低损耗和高隔离度等特点，使用微同

轴工艺制备的功分器具有超宽带、低损耗、易于集成、小型化和可移植性好等特点。仿真并制作

了一款微同轴一分二功分器。测试结果表明，在6〜18 GHz内插入损耗小于0.3 dB，功分器体

积为3 mmX5. 85 mmX〇. 5 mm，功率容量不小于100 W。通过包金带的方式装配了功分器的背

靠背结构。测试结果表明，背靠背结构损耗与预期损耗相符。为微同轴功分器在100 W有源功

放组件中的应用奠定了基础。

关键词：微同轴；功分器/合成器；微电子机械系统（MEMS);超宽带；小型化

中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1671-4776 (2021) 03-0238-06

MEMS Micro Coaxial Broadband Power Divider

Li Kanghe, Li Hongjun, Yang Qiang, Wang Jian, Shi Guanghua

(The 13th Research Institute^ China Electronics Technology Group Corporation Shijiazhuang 050051, China)

Abstract

：

With the development of high power and ultra-wideband of the microwave system, the

higher performance of the power distribution/synthesis structure is required. The power divider

with the characteristics of ultra-wideband, low loss, small size and easy integration has become

the research focus. The micro coaxial RF transmission line based on micro-electromechanical sys­

tem (MEMS) process has the characteristics of ultra-wideband, non-dispersion, low loss and

high isolation. The power divider fabricated by micro coaxial process has the characteristics of ul­

tra-wideband, low loss, easy integration, miniaturization and good portability. A micro coaxial

two-way power divider was simulated and fabricated. The measured result shows that the inser­

tion loss is less than 0. 3 dB in

6 ~

18 GHz. The volume of the power divider is 3 mm X

5. 85

mm X

〇. 5 mm, and the power capacity is not less than 100 W. The back-to-back structure

of the power divider was assembled by means of gold belt. The test result shows that the loss of

the back-to-back structure is consistent with the expectation value. It lays a foundation for the

application of the micro coaxial power divider in 100 W active power amplifier module.

Key words

： micro coaxial； power divider/synthesizer； micro-electromechanical system (MEMS); ul­

tra-wideband； miniaturization

收稿日期：

2020-11-05

通信作者：李宏军，

E-mail: 139****************

238

李康禾等：

MEMS

微同轴宽带功分器

EEACC： 1350； 2575F

〇引言

高功率的微波通信系统在实现髙信噪比、高保

真、信号远距离传输、大面积覆盖、强抗干扰等性

能上有着明显优势，是实现系统高准确度和大作用

范围的重要保证。在系统功率逐步提高的同时，其

应用频带也从一倍频程以下的窄带逐渐拓展至3倍

频程以上。

单级功率器件的输出能力难以在短期内大幅度

提升，为满足微波系统的宽频带、大功率需求，研

究人员提出了宽带功率合成技术。其基本思路是将

输人信号通过功分器分为多路，再将各支路信号分

别放大，最后将放大后的信号通过宽频带、低损耗

的合成器（功分器）合为一路，实现超宽带、大功

率的信号输出。

宽带功率合成技术的核心是宽频带、低损耗、

大功率容量的功分器。常见的功分器主要有平面结

构和波导结构两种。平面结构功分器具有体积小、

加工简单、易于集成等优点，但是加工在印制电路

板（PCB)或陶瓷基板上的微带线等开腔形式平面

半开放结构在集成度较高时，传输线间信号耦合和

辐射损耗难以避免。波导结构功分器具有大功率容

量、低损耗等优点，但是低频应用时体积过大，高

频应用时不易加工且不利于与平面有源器件集成都

是制约其发展的因素。

微同轴技术是一种基于微电子机械系统

(MEMS)表面微机械加工工艺的3D射频传输技

术。独特的电磁波传输结构使其具有超宽带、低损

耗、高隔离度等特点。微同轴结构的合成器具有

超宽带、低损耗、易于集成等优点，其封闭式结构

可以避免相邻传输线间耦合以及电路板材和腔体尺

寸等外界环境的影响，在小型化和可移植性上也有

着明显优势。

Nuvotronics公司代表了国际微同轴研究的最

高水平，2006年以来研制了基于PolyStrata专利

技术的微同轴天线[2]、功分器[3]、耦合器[4]和混频

器[5]等。国内对微同轴的研究起步较晚，对传输线

结构[6]、加工工艺[7]以及延时线[8]等简单应用均有

报道。国内外研究大多把微同轴工艺应用在高频小

信号的场景中，对其在宽带功率系统中应用的研究

较少。

因此本文拟采用基于MEMS的微同轴工

艺，制作一款小型化低损耗的超宽带功分器，解决

超宽带功分器的小型化问题，验证微同轴工艺在宽

带功率系统中应用。本文仿真并制作了一款工作频

带为6〜18 GHz的极小型MEMS微同轴功分

器，并进行插人损耗和功率容量测试。

1微同轴技术

1.1微同轴传输线结构

目前国际上的微同轴传输线有全高微同轴（11

层结构）和半高微同轴（5层结构）两种。

全高微同轴具有更大的阻抗变换范围和功率容

量，同时导致较大的传输线体积以及更大的制备工

艺难度，因此在半高微同轴的阻抗变换范围及功率

容量可以满足设计需求的情况下，尽可能选用半高

微同轴工艺。

半高微同轴传输线结构主要由内导体、外导体

和内导体支撑体三部分组成，如图1所示。

(

a

)半高微同轴传输线截面图 （

b

)半高微同轴传输线三维视图

图1半高微同轴传输线结构图

Fig. 1 Structure schematics of the half high micro coaxial

transmission line

半高微同轴5层结构的每一层高度均为

0. 1 mm。半高微同轴中间的矩形金属芯是内导

体，用来传输微波信号；包围着内导体且与内导体

共轴的环状金属层是外导体，它既可作为微波信号

的传输回路，又具有屏蔽作用。

微同轴内导体悬空，需要SU-8光刻胶胶膜

结构作为内导体的支撑体，主要是利用SU-8光

刻胶良好的机械性能与稳定的化学性能[7]。光刻胶

的位置主要有支撑在内导体下方和从内导体中心穿

过两种。支撑在内导体下方的结构加工工艺较简

239

微鈉电子技术

单，但对光刻胶和内导体的附着力要求较高；从内

导体中心穿过的结构加工工艺略复杂，但对光刻胶

与内导体之间附着力的要求较低，结构稳定性更

好。考虑到宽带功率系统中发热量较大，高温可能

会导致层间附着力不够产生微同轴结构被破坏的风

险，因此采用SU - 8支撑体从内导体中心穿

过，两端插人外导体的工艺路线，如图1所示。外

导体上每隔固定间距（0.7 mm)有4个除胶开

孔，用来去除制作过程中使用到的BPN型光刻胶。

内导体宽度与内外导体的水平间距共同决定了

传输线的特性阻抗。通过对半高微同轴传输线结构

的仿真，选用内导体宽度0.2 mm、内外导体水平

间距0. 15 mm的传输线作为微同轴功分器输人输

出端口的50 n标准阻抗传输线。

1.2微同轴制备工艺

微同轴制备工艺以紫外光-光刻电铸成型

(UV-LIGA)技术为基础，采用正负胶相结合的方

法，需经过5次叠层光刻、4次微电铸和2次溅射

金属种子层™。其加工制备工艺过程主要分为两个

部分：第一部分是通过光刻工艺和溅射，使用光刻

胶制作出所需的结构；第二部分是利用金属种子层

上的光刻胶模具电镀金属，最后将胶剥离，制作出

所设计的三维立体金属结构[1°]。

本研究制备的微同轴结构所涉及的所有工艺路

线均在中国电子科技集团公司第十三研究所完成。

1.3微同轴传输线特性

微同轴结构的外导体作为微波信号传输中的

地，可以起很好的屏蔽作用，使微同轴传输线具有

无色散、高隔离度的特点。

微同轴传输线传输横电磁（TEM)波，结构

上不存在最低截止频率，也不存在特定阻带频

率，通常把微同轴结构中产生横电（TE)波或横

磁（TM)波的频率视为微同轴结构的最高截止频

率。当微同轴线尺寸与信号波长可比拟时，微同轴

线中出现高次模电磁波。半高微同轴50 n传输线

横向尺寸约为〇. 7 mm,在DC〜220 GHz频带内

具有优异的低损耗传输性能[6’”-12]。

功率合成放大组件中的合成器。单级T型功分器

只能实现20%左右的相对带宽，因此需要增加阻

抗变换段节数来扩展带宽，但同时会导致传输线尺

寸变长、功分器尺寸变大。

微同轴传输线的外导体作为微波信号的屏蔽

层，为微同轴传输线提供极高的线间隔离度。通过

共用外导体，把相邻50 n传输线之间的中心距离

压缩至0.5 mm，此时传输线间隔离度仍可达

70 dBc以上[u_15]。据此可以在有限的空间内把功

分器的各段传输线进行充分绕制，减小阻抗变换段

节数对功分器尺寸的影响，可以实现宽带功分结构

的小型化设计[16]。

因此拟采用MEMS微同轴工艺制作一款6〜

18 GHz频带的一分二功分器，可以满足低损耗、

超宽带、无色散、高功率容量的技术要求。拟完成

的设计指标如下：频带为6〜18 GHz;插人损耗的

设计值不大于0.25 dB，实测值不大于0.4 dB;体

积不大于 3 mmX6 mm X 〇. 5 mm。

2. 2功率容量

微同轴传输线的功率容量主要受限于大功率状

态下的空气击穿D7]。根据经验公式，估算空气击

穿所需场强为30kV/cmM。本研究所用微同轴内

外导体最小间距为0.1mm，可知理论击穿电压约

为300 V。功率（P (单位dBm))与传输线阻抗

(Z)和峰值电压（Vpp)的关系为[19]

V

pp

…

将Vpp = 300 V, Z = 50 n带入式U )，得到

P=53. 5 dBm,即半高微同轴50 n传输线的理想

耐功率值为223.9 W。

由式（1)可知，当传输线特性阻抗<50 n

时，其耐功率值>223.9 W。功分器设计中，采用

先阻抗变换再功分的结构，保证各部分传输线特性

阻抗均<50 £2，即可保证整个功分器耐功率值>

223. 9 W。

但由于空气击穿场强是根据经验公式估算得出

的，会受到实际测试环境湿度和气压等条件的影

响；另一方面，内导体金属的尖端和棱角会导致场

强分布不均匀，使功分器结构的功率容量比理论计

算值偏小，故需要对所设计的模型进行击穿仿

真，进一步确定其功率容量的大小。

2

2. 1

功分器

小型化设计

拟设计一款6〜18 GHz宽带功分器，用作某

240

李康禾等：

MEMS

微同轴宽带功分器

为保证功分器在功率合成放大组件中稳定正常

工作，将功率合成放大组件的功率量级定为

100 W。若想进行更大功率量级的功放组件设

计，可以采用全髙微同轴制作功分/合成单元，通

过增大内外导体最小距离增大微同轴结构的功率容

量[20〕。

3仿真及测试结果

仿真设计初期可以忽略外导体上除胶孔和

SU

-8

支撑体对仿真结果的影响，简化仿真模

型外导体是信号地，因此设计初期建模时可

以只考虑内导体和内外导体之间的空气腔，待仿真

出初步结果后，再把

SU

-8

支撑体和带开孔的外

导体加入模型，进行最终优化。

首先根据仿真目标频带6〜18 GHz确定所设

计功分器的阻抗变换段节数为4节，各节电长度均

为四分之一波长。功分器结构中阻抗变换线绕制的

拐点以及各阻抗变换段的连接处为阻抗突变点，是

传输损耗的重要来源，因此可以把各阻抗变换段的

连接处设置在阻抗变换线绕制的拐点上，通过优化

拐点处的倒角来降低传输损耗。

仿真中需要注意各段内导体支撑体SU-8不

要串联在一起，否则会导致支撑体在内导体键合或

包金带时应力叠加，增大支撑体断裂的风险。

通过合理布局最终仿真出了一款基于微同轴的

6~18GHz宽带一分二功分器，尺寸为

3

mm

X

5. 85 mmX〇. 5 mm，插人损耗小于0.25

dB

。

仿真

模型如图2所示，仿真得到的插人损耗52，和S3,

如图3所示。

图

2

微同轴一分二功分器仿真模型

Fig. 2 Simulation model of the micro coaxial

two-way power divider

Frequency/GHz

图

3

微同轴一分二功分器仿真结果

Fig. 3 Simulation results of the micro coaxial

two-way power divider

使用仿真软件对模型进行击穿仿真，在输人端

口分别馈入

1()()、

150和200

W

功率，可以观察到

最高场强分别约为21、29和33

kV

/

cm

，

分别如

图

4 (

a

)、（

b

)

和（c)所7K。最高场强为30

kV

/

cm

时对应的输入功率为

163

W

，

如图

4 (

d

)

所

示，故该模型功率容量仿真值约为

163

W

，

且空气

击穿需要击穿点处内外导体之间的平均场强达到

30

kV

/

cm

，

因此该模型实际功率容

量大于

163

W

，

满足设计需求。

(a)

输人

100 W

时功分器

(b)

输人

150 W

时功分器

的场强分布的场强分布

(c)

输人

200 W

时功分器

(d)

输人

163 W

时功分器

的场强分布

的场强分布

图

4

微同轴一分二功分器击穿仿真结果

Fig. 4

Breakdown simulation results of the micro coaxial

two-way power divider

4产品实测

制作出的微同轴一分二功分器实物如图5所

241

微鈉电子技术

示，其体积为 3 mm X 5. 85 mm X 〇• 5 mm。

图

5

微同轴一分二功分器照片

Fig. 5 Photo of the micro coaxial two-way power divider

在探针台上进行产品性能测试，功分器输人端

通过探针接矢量网络分析仪的一端口，一个输出端

通过探针接矢量网络分析仪的二端口，另一个输出

端接50 D匹配负载。测试完成后将两个输出端口

互换，再次进行测试。测试结果如图6所示。

图

6

微同轴一分二功分器测试结果

Fig. 6 Test results of the micro coaxial two-way

power divider

可见在6〜18 GHz频带内，功分器插入损耗

小于0.3 dB。与仿真值对比发现低频损耗比仿真

值偏小，高频损耗比仿真值偏大，整体指标仍满足

设计需求。

分析发现6〜18 GHz的测试曲线与8〜

18 GHz的仿真曲线趋势较为接近。因此认为实际

模型的频带向高频发生了偏移，可能产生的原因有

两点：一是SU-8支撑体仿真材料模型仅设置了

介电常数，许多材料参数未设置导致了仿真偏差；

二是制作出的微同轴结构与仿真模型有偏差，比如

内导体不居中、内外导体或支撑体尺寸有误差等。

国内所有对微同轴的研究大都停留在使用探针

台验证性能上，鲜少在组件产品中进行应用的报

道。本研究基于MEMS微同轴工艺，制作了一款

242

超宽带、小型化一分二功分器，将其应用在一款

100W脉冲功率放大组件中，因此对微同轴在组件

系统中的实际应用形式进行了研究与实验。

内导体支撑体SU-8具有一定的弹性，无法

采用金丝键合的方式与平面电路相连。因此采用了

包金带的互连形式，通过严格控制微同轴伸出内导

体与平面电路的高度差，使内导体正好压在铺好金

带的微带匹配节上，防止键合压力使微同轴结构发

生改变。

装配了微同轴一分二功分器的背靠背结构，其

中微同轴功分器通过包金带的方式与平面PCB相

连，再通过PCB连接到射频SMA型接头上，如

图7所示。采用矢量网络分析仪对背靠背结构进行

插人损耗测试，测试结果如图8所示。

图

7

微同轴功分器背靠背结构照片

Fig. 7 Photo of the back to back structure of the micro

coaxial power divider

图

8

微同轴功分器背靠背结构测试结果

Fig. 8 Test results of the back to back structure of the

micro coaxial power divider

由图8可见一分二功分器背靠背结构插人损耗

小于0. 8 dB，考虑到SMA接头对测试性能的影

响，单个一分二功分器的合成损耗小于

0. 3 dB，与单个功分器在探针台上的测试结果基本

符合。

利用工作在18 GHz的100 W脉冲功放组件产

李康禾等：

MEMS

微同轴宽带功分器

生脉宽100 ps、占空比10%的100 W脉冲功率信

号馈人微同轴功分器背靠背结构中，加载信号

5 min，未发生空气击穿，损耗特性符合预期，因

此可以认为本文设计的微同轴一分二功分器功率容

量大于100 W。

5结论

基于MEMS半高微同轴工艺，仿真并设计了

一款宽带一分二功分器，在6〜18 GHz频带内插

人损耗小于〇. 3 dB，体积为3 mm X 5. 85 mm X

0.5 mm。通过对功分器功率容量的分析、计算和

优化仿真，使功分器的功率容量实测结果在

1〇〇 W以上，并尝试了用包金带的方法将微同轴

传输结构与平面PCB电路级联。

设计出的微同轴功分器具有小体积、宽频带、

低损耗、易于集成和高功率容量等特点，可以应用

在宽带功率合成组件中，具有广阔的发展前景。

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作者简介：

李康禾（1996—），男，河北邢台人，

硕士研究生，研究方向为MEMS射频器件；

李宏军（1970男，河北石家庄人，硕士，研究员，研究

方向为微波器件与电路。

243