廖進福，凌志遠，沓世我，付振曉

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片式無源溫度補償衰減器——原理、設計、制作、應用及發(fā)展趨勢

廖進福1,2，凌志遠2，沓世我1，付振曉1

（1. 廣東風華高新科技股份有限公司 新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室，廣東 肇慶 526020； 2. 華南理工大學 電子材料科學與工程系，廣東 廣州 510640）

無源溫度補償衰減器主要用于穩(wěn)定射頻微波放大器的增益隨溫度的變化。本文對該類器件的原理、設計、制作、應用及發(fā)展趨勢等各方面做了系統(tǒng)的介紹。相對于其他補償方案，使用此類器件具有設計簡單、成本低、性能優(yōu)異等特點。無源溫補衰減器的核心設計在于選取正溫度系數(shù)（PTC）和負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的阻值及其溫度系數(shù)，以使衰減量隨溫度接近線性變化而保持特征阻抗基本不變。目前，此類器件主要采用厚膜工藝制作，其關鍵材料為系列化的熱敏電阻漿料。薄膜化是器件未來發(fā)展的重要方向，而其中NTC熱敏電阻的薄膜化仍面臨重大的技術挑戰(zhàn)，需要解決材料性能及其系列化等難題。

溫度補償；衰減量；溫度系數(shù)；熱敏電阻；厚膜工藝；薄膜化

在電子學領域，一個廣為人知的事實是晶體管放大電路的增益會隨溫度而顯著變化，因而放大器的溫度補償（穩(wěn)定溫漂）是電路設計者的一項重要工作[1]。具體到射頻/微波領域，對于GaAs場效應管（FET）和高電子遷移率晶體管（HEMT），單級放大器增益的溫度系數(shù)典型值在0.01 dB/℃的量級[2]。因而，對于環(huán)境溫度變化范圍較大或者對溫度穩(wěn)定性要求較高的應用場合，例如軍事、航空航天以及部分商業(yè)應用，為了避免由此導致的系統(tǒng)異常，需要對溫度漂移進行有效控制。在射頻接收器上，一種較為通用的穩(wěn)定電平/增益的方法是自動電平控制（ALC）/自動增益控制（AGC）[3-4]。這種方法是在輸出端對電平/功率進行采樣并產(chǎn)生相應的控制信號，進而在輸入端調節(jié)增益，形成閉環(huán)的反饋控制。原則上ALC/AGC可以用于調節(jié)任何因素引起的電平/增益的變化，其中也包括溫度漂移。然而，這種電路結構相對較復雜，設計與實現(xiàn)的成本較高，且對溫度變化的響應速度較慢，可靠性較差：在此閉環(huán)回路中，其中一個環(huán)節(jié)的故障就有可能導致異常反射，從而危及系統(tǒng)的安全。

放大電路的另一種通用的溫度補償方法是偏置補償。通常利用二極管[2,5]、晶體管或者熱敏電阻[5-6]的阻值的溫度特性來相應地改變晶體管的偏置電壓，穩(wěn)定靜態(tài)工作電流以及增益。這種方法需要針對具體的放大電路進行單獨的分析設計，而且作為補償元件的二極管、晶體管及熱敏電阻通常具有溫度非線性，因而僅能在相對較窄的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)較為理想的補償。

第三種補償方案是采用溫度補償衰減器（Temperature Compensation Attenuator；或稱“溫度可變衰減器”，Temperature Variable Attenuator；以下簡稱“溫補衰減器”），即衰減量隨溫度以一定的斜率線性變化的一類衰減器[7]。通常將溫補衰減器與放大器串接，使二者的溫度特性相匹配以實現(xiàn)總輸出功率的溫度補償。溫補衰減器按其實現(xiàn)方式可分為有源（二極管、晶體管）[8]和無源（熱敏電阻）兩類。前一類器件的核心部件是衰減量隨電壓線性變化的電調可變衰減器，其控制信號通過溫敏元件產(chǎn)生，電路結構及其設計也較為復雜。相對而言，基于熱敏電阻和定值電阻網(wǎng)絡的無源溫補衰減器具有設計簡單、成本低、可靠性高、響應速度快和無頻率失真等優(yōu)點，已成為多數(shù)射頻工程師的首要選擇。本文將對此類無源器件的工作原理、設計方法、制作材料和工藝以及主要的應用做系統(tǒng)的論述，并介紹未來的發(fā)展趨勢以及相關的研究進展，以期為器件研發(fā)和電路設計提供參考。

1 無源溫補衰減器的原理與設計

衰減器是將輸入信號幅度按一定比例系數(shù)降低而不引入失真和相移的器件，該比例系數(shù)通常取對數(shù)以dB為單位表示，稱為衰減量。根據(jù)器件結構和安裝方式的不同，衰減器可分為片式（表面貼裝型）、同軸型和波導型三種。其中，同軸型和波導型衰減器主要與射頻同軸電纜/同軸連接器或波導配套使用，尤其適合大功率的應用；而片式衰減器可用在印制電路板或混合集成電路中，應用更為廣泛。溫補衰減器作為一類特殊的衰減器，具有后者的大多數(shù)特性。結構上溫補衰減器也以片式為主，也有部分同軸型的產(chǎn)品，圖1為EMC Technology公司的此類型產(chǎn)品。通常，同軸型溫補衰減器的核心功能部件也是安裝到同軸連接器內(nèi)的具有對稱端電極結構的片式溫補衰減器。

圖1 EMC Technology公司的Thermopad?溫補衰減器產(chǎn)品[9]

1.1 衰減量及其溫度系數(shù)

在電路結構上，衰減器是由多個電阻組成的二端口網(wǎng)絡，其中最基本的是T型和Π型結構，如圖2所示[3]。

（a）????????（b）

這兩種結構對應的衰減量與阻值的關系分別為[3]：

（2）

（3）

（5）

式中：為以dB為單位的衰減量（插入損耗），0為兩個端口的特性阻抗。根據(jù)以上公式可計算當0為50 Ω時1~20 dB的兩種衰減器的阻值，如圖3所示。圖中還以虛線標出了衰減量分別為1，5和10 dB時不同特性阻抗所對應的阻值，均為過坐標系原點的直線。

圖3 1~20 dB衰減量對應的T型（a）和Π型（b）衰減器串聯(lián)和并聯(lián)電阻阻值。實線對應50 Ω特性阻抗，虛線為衰減量分別為1，5和10 dB時不同特性阻抗所對應的阻值

從圖3中可以得到特定的衰減量所對應的串聯(lián)和并聯(lián)電阻的阻值，對二者求微分則可得到衰減量對兩種電阻阻值的敏感度，如圖4所示。其中對于T型衰減器，較低的衰減量對串聯(lián)電阻阻值的變化更為敏感，而對并聯(lián)電阻阻值的變化較不敏感；而較高的衰減量對兩種電阻阻值均較為敏感。從圖3中還可以分析特性阻抗對兩種阻值的敏感度。例如，對于衰減量較低的T型衰減器，特性阻抗對串聯(lián)電阻的阻值明顯比并聯(lián)電阻敏感。類似地可以分析Π型衰減器對阻值的敏感度。這種參數(shù)的敏感度分析對溫補衰減器的阻值和溫度系數(shù)的設計有重要的指導作用：較高的敏感度通常與較窄的阻值偏差及其溫度系數(shù)（TCR）范圍相關聯(lián)，反之亦然。例如，對于較低的衰減量，應著重控制串聯(lián)電阻的阻值及其TCR，以達到所需的衰減量及特性阻抗，而并聯(lián)電阻的性能參數(shù)可適當放寬。

溫補衰減器的標稱衰減量一般是指室溫（25 ℃）下的衰減量。相對于定值衰減器，溫補衰減器的特征在于其衰減量隨溫度（接近）線性變化，同時保持兩個端口的輸入阻抗基本不變，這種特性依賴于作為核心衰減元件的熱敏電阻。衰減量的溫度系數(shù)（Temperature Coefficient of Attenuation，以下簡稱TCA）一般以dB/(dB·℃)為單位，表示溫度改變1 ℃時每1 dB衰減量對應的衰減量變化量。TCA的典型值在±(0.001~0.009) dB/(dB·℃)之間。在一定的器件尺寸和工藝條件下，衰減量及其溫度系數(shù)大致決定了器件所需要使用的熱敏電阻材料的性能參數(shù)，即（室溫）電阻率（25）及TCR。

通過一個典型的設計實例可以深入理解溫補衰減器的工作原理。假定目標衰減量為5 dB，TCA為?0.005 dB/(dB·℃)，采用Π型網(wǎng)絡結構。首先，將衰減量= 5 dB代入式（1），（4）和（5），可以確定并聯(lián)電阻Π1= 178.5 Ω，串聯(lián)電阻Π2= 30.4 Ω。再根據(jù)目標器件的封裝及相應的焊盤尺寸便可確定兩種電阻的電阻率范圍。TCA的設計實質上即是熱敏電阻溫度特性的選擇。假定工作溫度范圍為?55~+125 ℃，每隔15 ℃取一個點，因衰減量與溫度的關系為：

() =25[1 +L,T(? 25)] （6）

式中：25為標稱衰減量；L,T為衰減量溫度系數(shù)（TCA），可計算出各溫度點對應的衰減量（圖5(a)），再根據(jù)式（1），（4）和（5），可算得各溫度點下Π1和Π2的阻值（圖5(b)和(c)）。

圖5 5 dB、?0.005 dB/(dB·℃)的Π型溫補衰減器的理想衰減量溫度特性（a）以及相應的并聯(lián)（b）和串聯(lián)（c）熱敏電阻的阻溫特性

可以看到，Π1和Π2的TCR分別為正和負，其中Π1呈現(xiàn)出明顯的溫度非線性（Π1≈ 160.23 + 0.5987+ 2.65×10?32+ 3.646×10?53），冷TCR（CTCR）和熱TCR（HTCR）差別較大，依次為CTCR ≈ 3250×10?6/℃和HTCR ≈ 9860×10?6/℃；而Π2基本隨溫度上升而線性降低，CTCR ≈ ?4610×10?6/℃，HTCR ≈ ?5260×10?6/℃。根據(jù)Π1和Π2的阻值及TCR就可以進行熱敏電阻材料的選用。由于典型的熱敏電阻的阻值均可能存在不同程度的溫度非線性，而不同TCA的溫補衰減器在工作溫度范圍內(nèi)所對應的TCR變化范圍也較大，因此通常采用線性回歸的方法來確定熱敏電阻的TCR，使TCA盡可能接近理想值[10]。

除了Π型和T型網(wǎng)絡，溫補衰減器還可采用L型、橋接T型、平衡T型或平衡Π型等網(wǎng)絡結構，均可采用類似的方法進行衰減量及TCA的設計。

1.2 器件結構

射頻器件的結構與所選取的材料共同決定了其高頻寄生參數(shù)，因而是器件設計的另一個核心內(nèi)容。片式衰減器主要采用厚膜和薄膜的衰減元件（電阻膜）和導體電極。與兩種基本的網(wǎng)絡結構相對應，片式衰減器主要有T型和Π型兩種器件結構，圖6為兩種溫補衰減器典型的內(nèi)部結構示意圖。

（a）???????（b）

從射頻性能的角度考慮，在與外部傳輸線寬度匹配的條件下器件的尺寸應盡可能小，以減小寄生參量的影響。但是對于有功率容量要求的應用場合，根據(jù)所選用材料的不同，各衰減元件（電阻）的尺寸又必須不小于某個限制值，以保證足夠的散熱面積。表1列出了T型和Π型衰減器各衰減元件上的歸一化耗散功率，其中20 dB對應的耗散總功率sum為1 W，1(in)和1(out)依次對應輸入端和輸出端的T1和Π1，2對應T2和Π2[12]。

表1 T型和Π型衰減器各衰減元件上的歸一化耗散功率[12]

Tab.1 Normalized power dissipation on each attenuation element of T-type and Π-type attenuators[12]

在確定各元件的大致面積后，根據(jù)各衰減元件所要求的TCR選擇合適的材料，再根據(jù)各元件的阻值、材料的電阻率和工藝條件確定具體尺寸。至此，可以利用電磁仿真軟件（例如HFSS、Sonnet、Eagleware等）對該結構的射頻特性進行模擬仿真以及結構優(yōu)化。一般地，對于不太高的頻率，器件可采用集總參數(shù)的方法進行設計，寄生效應可以通過調節(jié)器件的幾何結構，或者增加阻抗匹配結構等方法來改善；而在14 GHz以上，寄生參量的影響就會變得十分顯著，且由于幾何尺寸的限制而難以調節(jié)，此時應采用分布參數(shù)的方法進行器件設計[9,13]。

2 溫補衰減器的制作

2.1 制作工藝

片式溫補衰減器主要采用厚膜工藝制作[14-16]。有廠商在部分制作過程引入薄膜工藝以提高產(chǎn)品性能；與此同時，市場上也存在小部分采用貼裝工藝的片式溫補衰減器，其熱敏電阻為塊體陶瓷。美國EMC Technology公司是該類器件的市場領導者，擁有厚膜無源溫補衰減器的首個發(fā)明專利[10]，以下對該技術進行詳細介紹。

溫補衰減器中的衰減元件阻值覆蓋了從幾歐姆到幾百歐姆的范圍；而對于不同的TCA，衰減元件的TCR也覆蓋了很大的范圍。因此，若要形成完整的產(chǎn)品系列，必須具備（室溫）電阻率及TCR能靈活調節(jié)的熱敏電阻材料體系。在這個方面，厚膜技術具有根本的優(yōu)勢。將電阻率、TCR不同的兩種熱敏電阻漿料按不同的組分比例混合，可以很容易地獲得不同的電阻率和TCR，進而實現(xiàn)不同的衰減量及TCA的組合[11,17]。

厚膜溫補衰減器的制作工藝流程與普通的厚膜片式電阻（網(wǎng)絡）基本一致，依次為電極印刷、燒結，熱敏電阻（和/或固定電阻）印刷、燒結，激光調阻，保護層印刷、固化，封端、表面處理。其中兩種熱敏電阻（和/或固定電阻）應盡可能共燒，且在保護層固化前應避免重復燒結，否則可能導致敏感的熱敏電阻材料的性能惡化。

2.2 溫補衰減器用厚膜漿料

在厚膜熱敏電阻漿料中，獲得較低的電阻率且保持性能穩(wěn)定相對較困難。常規(guī)的負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻主要由Mn3O4基尖晶石結構半導體陶瓷材料組成，其電導起源于電子在相鄰氧離子間隙之間的跳躍。此類材料一般具有較高的室溫電阻率，其電阻率的溫度特性可表示為：()=∞exp(/)，式中∞為溫度趨于+∞時材料的電阻率，為熱敏常數(shù)，為絕對溫度[18-20]。降低電阻率的常見做法是摻Cu，室溫電阻率可降至幾Ω·cm。Cu摻雜容易使NTC熱敏電阻的老化特性變差，表現(xiàn)為室溫電阻率隨時間而增加更為顯著[21]。為了降低電阻體的燒結溫度，增加基片附著力，一般需要在漿料中加入玻璃相，主要是B、Al、Si、Bi、Ca、Pb、Ba等金屬的氧化物。玻璃相明顯提高了熱敏電阻的電阻率，因此必須同時添加導電性良好的材料以降低電阻率，這些導電材料通常由貴金屬組成，包括Ag、Pd、Cu、RuO2或者釕酸鹽[22-24]。這些導電相的含量以及粒徑對厚膜的性能有重要的影響，需要得到良好的控制。在合適的組分和工藝條件下，厚膜NTC熱敏電阻的阻溫特性可線性化[25-26]。EMC公司的厚膜溫補衰減器主要采用ESL公司系列化的熱敏電阻漿料，其中NTC漿料的表面電阻率在100 Ω/□~1 MΩ/□之間（干膜厚22.5 μm），值在850~3100 K之間[11,27]。該公司另有一種表面電阻率低至30 Ω/□的NTC漿料，值為300 K[27]。

常規(guī)的正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻主要由BaTiO3系材料構成。此類材料的PTC特性起源于由鐵電相到順電相的轉變導致的晶界勢壘形成，因而具有顯著的非線性和頻率依賴性；同時由于BaTiO3屬于介質材料，其半導化后電阻率仍然較高；因而此類材料一般不適合作為低方阻厚膜漿料的導電相以及射頻應用。較成熟的厚膜PTC熱敏電阻漿料主要采用釕的氧化物（RuO2、Bi2Ru2O7和/或Pb2Ru2O6）和CuO的混合物作為導電相[28-29]。釕的氧化物具有較低的電阻率，而適量的CuO能顯著提高TCR，可達幾千10?6/℃，且阻值具有較理想的溫度線性。EMC Technology公司所采用的ESL公司的PTC熱敏電阻漿料表面電阻率在5 Ω/□~5 kΩ/□之間，TCR在2200×10?6/℃~4300×10?6/℃[11,17]。除了ESL，F(xiàn)erro和Koartan及國內(nèi)西安宏星等廠家均有系列化的熱敏電阻漿料產(chǎn)品。

除了熱敏電阻材料，厚膜溫補衰減器所用的電極材料也對器件的性能有較大的影響，通常希望電極的電阻盡可能小，同時具有良好的可焊性（或者可引線鍵合）和耐高溫特性，且與熱敏電阻材料相匹配。實驗表明，Pt/Au和Ag/Pd材料均可達到較理想的效果[11,17]。此外，由于NTC材料的敏感特性，需要涂覆玻璃釉或者樹脂將其保護起來，保護層的致密性以及與熱敏電阻的匹配度對熱敏電阻的阻值穩(wěn)定性乃至器件的整體性能有直接影響。

3 溫補衰減器的性能及應用

溫補衰減器的兩個最主要的性能參數(shù)為標稱衰減量及其溫度系數(shù)TCA。行業(yè)內(nèi)這兩個參數(shù)通常采用N或P的標識表示，其中、為整數(shù)，依次表示標稱衰減量為dB，TCA為×10?3dB/(dB·℃)；而N和P分別表示TCA的符號為負（Negative）和正（Positive）。如上文所述的5 dB、?0.005 dB/(dB·℃)可用5N5表示。由于GaAs FET放大器的增益通常具有負的溫度系數(shù)，相應地多數(shù)溫補衰減器產(chǎn)品的TCA為負；TCA為正的產(chǎn)品相對較為少見，僅用于某些特殊的應用場合。標稱衰減量的精度（允許偏差）一般為±0.5 dB（1 GHz下），主要由衰減元件（電阻/熱敏電阻）的精度及器件的高頻效應（如趨膚效應、寄生參量、輻射損耗等）決定；TCA的精度通常在±0.001 dB/(dB·℃)以內(nèi)，主要由衰減元件的溫度特性決定。在電路設計時，應根據(jù)放大器的增益及其溫度系數(shù)選擇標稱衰減量及TCA。假定增益與溫度的關系為：

() =25[1 +G,T(? 25)] （7）

式中：25為室溫下的增益；G,T為增益溫度系數(shù)，由于溫補衰減器通常串接在需補償?shù)姆糯笃鞯妮斎牖蜉敵龆?，補償后增益（以dB為單位）與溫度的關系為：

′() =() ?()

= (25G,T?25L,T) (– 25) +25?25（8）

要使增益不隨溫度變化，應有：

25L,T=25G,T（9）

即溫補衰減器的衰減量及TCA的乘積應與放大器的增益及其溫度系數(shù)的乘積相等。此時，補償后的增益為溫度無關的常數(shù)：

′ =25?25（10）

顯然，由于溫補衰減器隨著溫度的變化吸收不同比例的信號能量實現(xiàn)放大器增益的溫度補償，因此應在滿足式(9)的前提下盡可能選擇最小的標稱衰減量。但是實際器件的衰減量溫度特性不可避免在一定程度上偏離線性關系，因此應根據(jù)兩種器件的具體的溫度特性進行選用，以達到最佳的補償效果。

除了衰減量及TCA，溫補衰減器的主要性能參數(shù)還包括特性阻抗、使用頻率范圍、VSWR（電壓駐波比）和額定輸入功率等。其中特性阻抗主要有50和75 Ω兩種，又以50 Ω的產(chǎn)品更為常見，主要用于射頻微波通信；廣播電視領域主要采用75 Ω特性阻抗。使用頻率范圍與器件的設計及工藝水平密切相關，常規(guī)產(chǎn)品可工作在DC~幾GHz的頻段；某些小型化的產(chǎn)品工作頻率可達幾十GHz。VSWR反映了器件的阻抗匹配程度，一般要求在工作頻率范圍內(nèi)VSWR ≤ 1.3。對于溫補衰減器，除了阻值精度及高頻效應（趨膚效應、寄生參量）外，阻抗失配受衰減元件的溫度特性的影響較大。片式無源溫補衰減器的額定輸入功率普遍在幾十毫瓦到幾瓦之間，主要由衰減元件與基片的材料性能以及器件尺寸決定。其中衰減元件的耐熱性能決定了器件的最高工作溫度，基片及器件尺寸決定了器件的熱阻，通常采用導熱率較高的Al2O3陶瓷作為基片。

前文已提到，有多種方法可實現(xiàn)射頻放大器的溫度補償，其中包括有源和無源的溫補償衰減器，圖7為兩種溫度補償方法的對比。相對于傳統(tǒng)的有源溫度補償方案，采用無源器件也能實現(xiàn)相近甚至更佳的溫度補償效果，并且具有結構簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點；同時可以改善阻抗匹配，降低相鄰兩級功放之間的回波損耗，起到隔離保護作用，有效防止自激。相對于有源器件，此類無源器件無失真，無相移和時移；設計簡單靈活，可減少系統(tǒng)再設計的隱性成本，從而成為電路系統(tǒng)工程師的理想選擇。此類無源器件廣泛應用于蜂窩網(wǎng)移動通信、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)、廣播電視、點對點無線電、軍用無線電、精密測試儀器等領域。具體電路應用包括功率放大器、單片微波集成電路（MMIC）放大器、廣播電視發(fā)射器、移動通信基站塔頂放大器、上/下變頻器、混頻器、本振源及其他對電平的溫度穩(wěn)定性要求嚴格的信號處理部件，因而具有巨大的市場需求。

圖7 采用傳統(tǒng)的有源器件（b）及無源溫補衰減器（c）進行溫度補償?shù)膶Ρ龋╝）[30]

4 無源溫補衰減器的薄膜化

無源溫補衰減器目前的主流工藝技術仍是厚膜技術。厚膜工藝有其獨特的優(yōu)勢：衰減量及其溫度系數(shù)容易系列化，成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。而另一方面，厚膜工藝存在以下問題：工藝及性能的可控性、重復性及一致性偏低，其主要原因是膜層厚度及圖形線寬/線距的精度偏低；玻璃相通常含有Pb，對環(huán)境不夠友好；同時玻璃相的加入明顯提高了材料電阻率，并容易引入明顯的寄生容抗影響器件的高頻性能[10]。

近些年來，國際上部分知名的元器件制造商已經(jīng)在逐步推進射頻無源元器件的薄膜工藝，包括分立元件（電阻、電容、電感）、濾波器、耦合器、巴倫等器件均有了薄膜化的產(chǎn)品。實踐表明，薄膜工藝的高精度及高可控性能有效地解決上述的厚膜工藝的局限，提高射頻性能及性能的一致性和重復性，降低噪聲；同時利于小型化、薄型化和集成化，因而是射頻無源器件重要的發(fā)展方向。對于溫補衰減器，薄膜化還可降低器件尤其是熱敏電阻體的熱容量，從而縮短器件對溫度變化的響應時間常數(shù)，提高靈敏度。

上文已提及，溫補衰減器的核心元件為PTC及NTC熱敏電阻。常見的PTC電阻式溫度檢測器（RTD）所用的鉑或者鎳薄膜的表面電阻率較低，通常采用曲折線的結構來獲得較大的方數(shù)和適中的阻值。此種結構的寄生電感嚴重，射頻性能不佳，不適合制作薄膜溫補衰減器的PTC熱敏電阻。一種更為可行的方案是參考厚膜PTC漿料，采用導電化合物材料（例如Ru系氧化物），通過調節(jié)組分和工藝來獲得合適的電阻率和溫度系數(shù)。而溫補衰減器中的NTC熱敏電阻的薄膜化是一個更大的技術挑戰(zhàn)，在獲得性能合適的熱敏電阻材料以及實現(xiàn)器件系列化等兩個方面均存在亟待解決的難題。

首先，典型的薄膜NTC熱敏電阻材料要獲得較低的表面電阻率同時保持相對較高的TCR存在現(xiàn)實上的困難。在通常的沉積速率下，薄膜材料的厚度一般控制在1 μm以下；為了達到100 Ω/□或者更低的表面電阻率，材料的體電阻率就應不高于10?2Ω·cm的量級，即至少要比厚膜材料低一個數(shù)量級。同時，與溫補衰減器的典型TCA數(shù)值對應，材料的TCR不可太低，仍需在幾千10?6℃?1的量級，即對應值在幾百K以上。對于NTC熱敏電阻材料，值與載流子跳躍的激活能成正比，因而值與電阻率總體上呈正相關關系。在常規(guī)的應用中，溫度補償和低溫測量一般采用值較低的熱敏電阻；而抑制浪涌電流則需要較低的電阻率，以減少持續(xù)工作狀態(tài)下的能量損耗[31]。針對這些應用，學界和產(chǎn)業(yè)界對較低電阻率和較低值的NTC熱敏電阻也開展了不少的研究工作。獲得此類材料的常規(guī)做法仍是對Mn基尖晶石材料進行摻雜改性，尤以摻Cu為主。為了避免材料老化特性的惡化，需要同時添加其他焓值較高的組分如Co3O4、ZnO、ZrO2、SiO2等以穩(wěn)定電學性能。這種方法可實現(xiàn)的最低的電阻率一般在幾Ω·cm的量級[32-34]。在Mn基尖晶石材料中摻RuO2也可以達到降低電阻率的效果，當摻雜量在10%（質量分數(shù)）時RuO2不會形成第二相，電阻率在幾百Ω·cm以上，值大于1500 K[35]。本項目組通過對Mn-Co-Cu-O材料進行RuO2摻雜，已將塊體陶瓷材料的電阻率降至0.02 Ω·cm，值降至700 K[36]。

獲得較低電阻率和較低值的NTC熱敏電阻的第二類方法是尋找新的材料體系，目前報道較多的是一些具有鈣鈦礦結構的導電氧化物材料，包括LaMnO3、LaCoO3、LaNiO3等。村田制作所曾報道過采用LaCoO3作為抑制浪涌電流用NTC熱敏電阻，通過適量的Ni和Zr摻雜，可使電阻率降至約6 Ω·cm，而200 ℃下的值大于6000 K[37]。在這方面，國內(nèi)的研究者也取得了較為豐富的成果。2011年，桂林電子科技大學的袁昌來團隊采用鈣鈦礦結構的BaCoIICoIII2xBi1?3xO3作為主體材料，制備了電阻率在2 Ω·cm附近、值在1200 K附近的厚膜熱敏電阻[38]。2013年，新疆理化所的研究團隊嘗試在LaMnO3中進行Al2O3摻雜，發(fā)現(xiàn)電阻率可從未摻雜的3.49 Ω·cm上升至5796 Ω·cm，值從1065 K增大至1860 K[39]。2014年，桂電袁昌來團隊通過進一步優(yōu)化配方和工藝，制備了組分為BaCoII0.02Bi0.98O3、室溫電阻率為0.67 Ω·cm、值約為1000 K的厚膜熱敏電阻[40]。本項目組采用LaSr1-xCoFe1-yO3材料，塊體電阻率可降低至10–3Ω·cm的量級，值在200 K以上。電子科技大學的張繼華團隊利用厚膜La-Sr-Mn-O材料制作溫補衰減器中的NTC熱敏電阻，室溫方阻可低于200 Ω/□，TCR在幾千10?6/℃的范圍[15]。利用此類材料進行薄膜沉積的嘗試也有文獻報道。婁非志等[41]采用La0.6Sr0.4CoO3陶瓷作為靶材，采用射頻磁控濺射的方法在Al2O3陶瓷基片上沉積薄膜，方阻可低達15.66 Ω/□，值在2000 K左右。本項目組利用La0.8Sr0.2Co0.7Fe0.3O3靶材制備得的薄膜表面電阻率在幾千Ω/□以上，離溫補衰減器的要求仍有較大距離[42]。另一方面，在常規(guī)的導電化合物材料中進行適當?shù)膿诫s也可以獲得較高的TCR。例如，在Ta、Ti、V、Cr等金屬的氮化物中摻Al可以獲得較大的負的TCR[43-61]。這些金屬氮化物薄膜可通過反應濺射來制備，具有較高的穩(wěn)定性。在厚膜工藝方面，有研究者嘗試在Ru系電阻漿料中加入TCR為負的TiO2來制備NTC熱敏電阻[62]，采用薄膜工藝時也可以借鑒這種做法[63]。盡管這一類方法制備的熱敏電阻難以同時獲得較低的電阻率和較高的值，但在低溫應用中仍有潛在的價值。

第三類方法是在Mn基尖晶石材料中引入低電阻率的第二相構成復合材料。在厚膜熱敏電阻漿料中摻入貴金屬也屬于這一類方法。近年來，學界開展了采用上述幾種鈣鈦礦結構的導電氧化物作為第二相的嘗試。例如，2008年，中國科學技術大學的研究團隊在導電氧化物(Ni,Mn)3O4–La(Mn,Ni)O3復合陶瓷中獲得低至18.5 Ω·cm的電阻率，而值在1700 K左右[64]。2010年，中國科學院新疆物理化學研究所的研究團隊采用Mn-Ni-Cu-Co-La-O體系制備了低阻值的熱敏電阻，認為適合低溫測量的應用[65]。2012年，Kang等[66]利用氣溶膠沉積的方法制備了NiMn2O4-LaNiO3復合厚膜，其中LaNiO3粒子作為導電相，顯著降低了厚膜的電阻率。新疆理化所的團隊研究了(NiMn2O4)0.50(La1-xCaMnO3)0.50(0≤≤0.3) 復合陶瓷的電性能，通過調整Ca的摻雜量，可以實現(xiàn)電阻率在0.234~8.61 Ω·cm、值在2600~2962 K之間調節(jié)[67]。最近，該團隊還研究了LaMn0.5Co0.5O3–Ni0.66Mn2.34O4復合陶瓷，通過改變兩相的含量，獲得了電阻率在20~4767 Ω·cm、值在1573~3960 K之間的樣品[68]。

從以上的研究結果可以看到，適合溫補衰減器薄膜化的較成熟的NTC熱敏電阻材料體系目前仍鮮見文獻報道。另一方面，作為應用在射頻微波頻段的器件，溫補衰減器中的熱敏電阻除了有（表面）電阻率和TCR上的限制外，在使用的溫度范圍內(nèi)還應該是無磁性的。由于趨膚深度和表面電阻是磁導率的函數(shù)[69]，磁性物質將導致器件阻抗隨頻率升高而大幅度改變。大多數(shù)NTC熱敏電阻新材料的研究并不關注其磁學及射頻特性，因而將其應用于薄膜溫補衰減器之前需要進行更全面的性能測試及評估。與此同時，主要的產(chǎn)業(yè)化薄膜沉積工藝（如蒸發(fā)、濺射）在材料組分的控制方面有較大的局限性，通過多組分摻雜或者復合材料來調節(jié)材料性能參數(shù)的方法存在現(xiàn)實的困難，或者設備復雜、成本高昂。除此以外，薄膜NTC熱敏電阻性能參數(shù)的系列化是溫補衰減器薄膜化的一個更大的障礙。通常，薄膜沉積的原材料（例如蒸發(fā)源、濺射靶材）的組成配方較為有限，且無法像厚膜工藝那樣通過漿料的混合來獲得不同的性能參數(shù)組合。以上兩個因素促使本項目組尋找新的思路來解決溫補衰減器的薄膜化問題。除了新材料的開發(fā)外，器件結構的改進也應該是薄膜化解決方案的重要組成部分，這也是本項目現(xiàn)階段的研究重點，在有明確進展的時候將擇機進行報道。

5 總結

無源溫補衰減器以NTC和PTC熱敏電阻為核心，構成T型、Π型等結構的電阻網(wǎng)絡，使得器件的衰減量隨溫度以一定的斜率變化，而同時保持特性阻抗基本不變。此類器件可用于射頻放大器的溫度補償，實現(xiàn)控制電平、穩(wěn)定增益的功能。這種對有源溫度補償?shù)奶娲椒ň哂谐杀镜汀⒖煽啃愿?、設計簡單，無失真、時移或相移，能改善阻抗匹配、起隔離保護作用等優(yōu)點，因而廣泛應用于射頻微波通信、廣播電視等領域。

無源溫補衰減器的設計主要包括熱敏電阻阻值及TCR的確定以及器件的結構布局設計。其中阻值的設計與固定衰減器一致，而TCR需根據(jù)衰減量及其溫度特性采用線性回歸的方法進行設計。幾GHz頻率下器件的結構布局可采用集總參數(shù)的設計方法，而射頻電磁仿真軟件是重要的設計工具。

片式溫補衰減器的薄膜化有望提高器件的性能及一致性，是未來的發(fā)展方向。而其中的NTC熱敏電阻的薄膜化目前仍存在較大的技術難度，需解決材料性能、系列化以及工藝等方面的問題，同時也應考慮從器件結構上進行改進。

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（編輯：張金平）

Passive temperature compensation chip attenuator:principle, design, fabrication, application and future trend

LIAO Jinfu1,2, LING Zhiyuan2, TA Shiwo1, FU Zhenxiao1

(1. State Key Laboratory of Advanced Materials and Electronic Components, Guangdong Fenghua Advanced Technology Holding Co., Ltd, Zhaoqing 526020, Guangdong Province, China; 2. Department of Electronic Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Passive temperature compensation attenuators are mainly utilized for the thermal stabilization of RF/microwave amplifier gain. In this paper, the principle, design, fabrication, application and future trend of this type of device are introduced. In comparison with other compensation methods, using this type of component is simple, cost-efficient and of excellent performance. The core design of temperature compensation attenuator is to determine the resistances and temperature characteristics of the NTC and PTC thermistors, so that the attenuation varies almost linearly with temperature while the characteristic impedance maintains essentially constant. Up to present, this type of component has been mainly fabricated by thick film process with serialized thermistor pastes as the key materials. The adoption of thin film process will be the important direction for future development, but the fabrication of the thin film NTC thermistor is still confronted with some demanding challenges, mainly in obtaining proper electrical performance of the material and its serialization.

temperature compensation; attenuation; temperature coefficient; thermistor; thick film process; thin film process

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.08.002

TN715

A

1001-2028（2017）08-0009-10

2017-04-20

廖進福

廖進福（1986－），男，廣東高州人，博士，助理研究員，主要從事無源射頻元器件的研究，E-mail: liao.jin-fu@qq.com 。

網(wǎng)絡出版時間：2017-07-31 11:29

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170731.1129.002.html