基于LTCC技術(shù)的S波段低噪聲放大器的小型化設(shè)計(jì)

     摘要： 分析了低溫共燒陶瓷(LTCC) 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和低噪聲放大器的工作原理， 介紹了該放大器的小型化設(shè)計(jì)與內(nèi)埋置方法， 提出了一種合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 從而減少了電路的面積與元器件數(shù)量。為電路與系統(tǒng)的小型化與低成本設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考。

　　0 引言

　　低溫共燒陶瓷(LTCC) 技術(shù)是上世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種新型多層基板工藝技術(shù)， 低溫共燒陶瓷(LTCC) 采用獨(dú)特的材料體系， 故其燒結(jié)溫度很低， 并可與金屬導(dǎo)體共同燒制， 從而大大提高了電子器件的性能。

　　本文利用低溫共燒陶瓷(LTCC) 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一種用于無(wú)線局域網(wǎng)的小型化、低噪聲的放大器。事實(shí)上， 低噪聲微波放大器(LNA) 目前已經(jīng)應(yīng)用于微波通信、GPS 接收機(jī)、遙感遙控、雷達(dá)、電子對(duì)抗、射電天文、大地測(cè)繪、電視及各種高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)中， 而且， 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 其小型化技術(shù)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

　　1 LTCC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　與普通的FR4板材相比， LTCC基板具有明顯的高頻優(yōu)勢(shì)。由于其三維多層集成功能， 因此，與傳統(tǒng)的微波板(主要是聚四氟乙烯PTFE類產(chǎn)品) 相比， LTCC在體積上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外， LTCC材料的介電常數(shù)范圍寬， 可適應(yīng)各種頻段的應(yīng)用需求。與HTCC相比， 由于LTCC燒結(jié)溫度低， 可采用低熔點(diǎn)、低損耗的銀、金等導(dǎo)體漿料進(jìn)行布線印刷， 因而極大地降低了LTCC產(chǎn)品的損耗； 并且與半導(dǎo)體工藝的熱脹系數(shù)非常接近， 更利于有源/無(wú)源集成。綜上所述， LTCC技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　◇ LTCC材料具有優(yōu)良的高頻高Q特性， 使用頻率可高達(dá)幾十GHz， 能很好的滿足日益發(fā)展的無(wú)線射頻微波應(yīng)用要求；

　　◇ 使用銀、金、銅及其合金等高電導(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)體材料， 有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子， 制作的電路導(dǎo)體損耗小；

　　◇ 集成度高， 低溫共燒陶瓷(LTCC) 可以制作層數(shù)很高的電路基板， 一般可以達(dá)到幾十層甚至上百層， 并可將多個(gè)無(wú)源組件埋入其中， 而且能集成的組件種類多、參量范圍大。除L/R/C外，LTCC還可將敏感組件、EMI抑制組件、電路保護(hù)組件等集成在一起， 并對(duì)有源器件/芯片可表貼，以實(shí)現(xiàn)有源/無(wú)源集成， 有利于提高電路的組裝密度；

　　◇ 可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求， 并具備比普通PCB電路基板更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性；

　　◇ 可靠性高， 耐高溫、高濕、沖振， 可應(yīng)用于惡劣環(huán)境， 如軍事通訊設(shè)備、航空航天電子、汽車電子等；

　　◇ 成本較低， 屬于非連續(xù)式生產(chǎn)工藝， 允許對(duì)生瓷基板進(jìn)行檢查， 從而提高成品率， 降低生產(chǎn)成本。

　　2 整體設(shè)計(jì)方案

　　2.1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)原理

　　低噪聲放大器與一般的放大器的不同之處在于， 低噪放是按照噪聲來(lái)最佳匹配而并非最大增益點(diǎn)， 因此， 增益相對(duì)會(huì)下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關(guān)增益。通常相關(guān)增益比最大增益大概低2～4dB。

　　2.2 性能指標(biāo)、器件選擇與單級(jí)電路仿真

　　本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大， 指標(biāo)要求如下： 噪聲系數(shù)≦0.8dB；增益≧24dB；增益平坦度為±0.5dB；輸入輸出駐波≦1.3， 且DC～14GH穩(wěn)定。

　　設(shè)計(jì)時(shí)， 第一級(jí)放大器可選用ATF55143，它的優(yōu)勢(shì)是增益高， 噪聲系數(shù)小， 體積小， 工作電流較小， 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定， 不易自激。其基板采用ferro公司的A6膜片并考慮到內(nèi)埋置電感、電容與機(jī)械強(qiáng)度等因素， 電路基板的厚度為0.6mm。

　　第一級(jí)偏置與匹配電路的示意圖如圖1所示。

圖1 第一級(jí)偏置與匹配電路示意圖

　　圖1 中， C1、L1、C2、L2的合理選擇對(duì)噪聲、S11、S22、增益等能否達(dá)到指標(biāo)具有非常重要的作用。這兩組L/C高通濾波電路也能有效的抑制低頻震蕩。R1和R2的合理選擇不但可以降低漏電流， 而且還可起到穩(wěn)定低頻信號(hào)的作用。

　　C3、C6旁路電容可起到濾波和穩(wěn)定的作用。R3、R4則用于為柵極提供合適的開(kāi)啟電壓。

　　源級(jí)串聯(lián)負(fù)反饋對(duì)全頻帶的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。這兩段微帶線相當(dāng)于串聯(lián)了一個(gè)小電感， 其好處是簡(jiǎn)單、方便、可以降低成本， 且方便調(diào)試。電路可以通過(guò)合適的匹配與負(fù)反饋巧妙的把偏置電路與輸入、輸出電路結(jié)合在一起，這樣， 不但可以節(jié)省面積而且可以減少器件并節(jié)省成本。

　　本設(shè)計(jì)的第二級(jí)采用的是RFMD公司的單片放大器SPF-5O43Z， 它的優(yōu)點(diǎn)是體積小， 便于小型化設(shè)計(jì)、噪聲低、供電電路簡(jiǎn)單、且穩(wěn)定性好。這兩級(jí)放大器均是單電源供電， 供電電壓低， 電流小， 便于調(diào)整。

　　2.3 兩級(jí)電路的調(diào)試與優(yōu)化

　　兩級(jí)電路合并與調(diào)試過(guò)程中所遇到的困難，主要是穩(wěn)定性與輸入駐波可能不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。在仿真過(guò)后， 也會(huì)發(fā)現(xiàn)很多地方并不符合實(shí)際要求， 比如電容、電感、電阻的值可能不符合實(shí)際需要， 線寬太窄等。因此， 在仿完單級(jí)電路之后， 如果只是簡(jiǎn)單的把各級(jí)電路連在一起， 往往會(huì)達(dá)不到指標(biāo)要求。圖2所示就是其整體電路的仿真結(jié)果。

圖2 整體電路仿真結(jié)果

　　實(shí)際上， 通過(guò)調(diào)試和優(yōu)化， 其結(jié)果也可以達(dá)到所要求的指標(biāo)。然而， 單級(jí)電路仿真后， 由于級(jí)間匹配等問(wèn)題， 一般還要進(jìn)一步調(diào)試與優(yōu)化，特別應(yīng)當(dāng)注意的是第一級(jí)放大器的S22雖然在仿真時(shí)可以不用要求太嚴(yán)格， 但也不能太差， 一般要求S22要小于-10dB， 否則會(huì)在兩級(jí)合并時(shí)嚴(yán)重影響輸入、輸出駐波。圖3所示是ADS的整體仿真電路。

圖3 ADS整體電路仿真圖

　　3 內(nèi)埋置技術(shù)仿真

　　內(nèi)埋置技術(shù)現(xiàn)在是小型化電路與系統(tǒng)研究的重要方法之一， LTCC技術(shù)為無(wú)源器件內(nèi)埋提供一個(gè)良好的平臺(tái)。通過(guò)HFSS軟件可以仿真出需要的電容與電感。本文以ferro公司的A6 (介電常數(shù)為5.9) 為例來(lái)仿真本電路所需要的電感與電容， 而且這種電感與電容的自諧振頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般貼片封裝的電感與電容。而通過(guò)內(nèi)埋置技術(shù)， 可以把電路中大量的無(wú)源器件埋置到基板中， 從而大大縮小電路板的面積。圖4所示是內(nèi)埋置技術(shù)的2.2μH電感和47pF電容的仿真結(jié)果。

(a) 2.2nH電感仿真

(b) 47pF電容仿真

圖4 內(nèi)埋置技術(shù)的仿真結(jié)果

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于LTCC技術(shù)的S波段低噪聲放大器的小型化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)LTCC這種新材料與新工藝把無(wú)源器件內(nèi)埋置到電路基板中，再選用合適的小封裝器件與合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 使電路的面積大大縮小， 從而實(shí)現(xiàn)小型化、低成本之目的。