基于LTCC的LNA小型化設計

0 引言

低溫共燒陶瓷(LTCC) 技術是上世紀80年代中期出現(xiàn)的一種新型多層基板工藝技術， 低溫共燒陶瓷(LTCC) 采用獨特的材料體系，故其燒結溫度很低， 并可與金屬導體共同燒制， 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) 技術的優(yōu)勢設計了一種用于無線局域網(wǎng)的小型化、低噪聲的放大器。事實上，低噪聲微波放大器(LNA) 目前已經(jīng)應用于微波通信、GPS 接收機、遙感遙控、雷達、電子對抗、射電天文、大地測繪、電視及各種高精度的微波測量系統(tǒng)中，而且， 隨著工業(yè)技術的發(fā)展， 其小型化技術也越來越受到人們的關注。

1 LTCC的技術優(yōu)勢

與普通的FR4板材相比， LTCC基板具有明顯的高頻優(yōu)勢。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。此外， LTCC材料的介電常數(shù)范圍寬， 可適應各種頻段的應用需求。與HTCC相比， 由于LTCC燒結溫度低， 可采用低熔點、低損耗的銀、金等導體漿料進行布線印刷， 因而極大地降低了LTCC產(chǎn)品的損耗； 并且與半導體工藝的熱脹系數(shù)非常接近， 更利于有源/無源集成。綜上所述， LTCC技術具有如下優(yōu)點：

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

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

◇ 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， 一般可以達到幾十層甚至上百層，并可將多個無源組件埋入其中， 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、電路保護組件等集成在一起， 并對有源器件/芯片可表貼，以實現(xiàn)有源/無源集成， 有利于提高電路的組裝密度；

◇ 可適應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)良的熱傳導性；

◇ 可靠性高， 耐高溫、高濕、沖振， 可應用于惡劣環(huán)境， 如軍事通訊設備、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， 允許對生瓷基板進行檢查， 從而提高成品率， 降低生產(chǎn)成本。

2 整體設計方案

2.1 低噪聲放大器設計原理

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最佳匹配而并非最大增益點， 因此， 增益相對會下降。噪聲最佳匹配情況下的增益稱為相關增益。通常相關增益比最大增益大概低2～4dB。

2.2 性能指標、器件選擇與單級電路仿真

本設計采用兩級放大， 指標要求如下： 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。

設計時， 第一級放大器可選用ATF55143，它的優(yōu)勢是增益高，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、電容與機械強度等因素，電路基板的厚度為0.6mm。

第一級偏置與匹配電路的示意圖如圖1所示。

圖1 第一級偏置與匹配電路示意圖

圖1 中， C1、L1、C2、L2的合理選擇對噪聲、S11、S22、增益等能否達到指標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啟電壓。

源級串聯(lián)負反饋對全頻帶的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。這兩段微帶線相當于串聯(lián)了一個小電感， 其好處是簡單、方便、可以降低成本， 且方便調(diào)試。電路可以通過合適的匹配與負反饋巧妙的把偏置電路與輸入、輸出電路結合在一起，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。

本設計的第二級采用的是RFMD公司的單片放大器SPF-5O43Z， 它的優(yōu)點是體積小， 便于小型化設計、噪聲低、供電電路簡單、且穩(wěn)定性好。這兩級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 兩級電路的調(diào)試與優(yōu)化

兩級電路合并與調(diào)試過程中所遇到的困難，主要是穩(wěn)定性與輸入駐波可能不達標的問題。在仿真過后， 也會發(fā)現(xiàn)很多地方并不符合實際要求， 比如電容、電感、電阻的值可能不符合實際需要， 線寬太窄等。因此， 在仿完單級電路之后， 如果只是簡單的把各級電路連在一起，往往會達不到指標要求。圖2所示就是其整體電路的仿真結果。

圖2 整體電路仿真結果

實際上， 通過調(diào)試和優(yōu)化， 其結果也可以達到所要求的指標。然而， 單級電路仿真后， 由于級間匹配等問題， 一般還要進一步調(diào)試與優(yōu)化，特別應當注意的是第一級放大器的S22雖然在仿真時可以不用要求太嚴格， 但也不能太差， 一般要求S22要小于-10dB， 否則會在兩級合并時嚴重影響輸入、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)埋置技術仿真

內(nèi)埋置技術現(xiàn)在是小型化電路與系統(tǒng)研究的重要方法之一， LTCC技術為無源器件內(nèi)埋提供一個良好的平臺。通過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遠高于一般貼片封裝的電感與電容。而通過內(nèi)埋置技術， 可以把電路中大量的無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)埋置技術的2.2μH電感和47pF電容的仿真結果。

(a) 2.2nH電感仿真

47pF電容仿真

圖4 內(nèi)埋置技術的仿真結果

4 結束語

本文介紹了一種基于LTCC技術的S波段低噪聲放大器的小型化設計方法。通過LTCC這種新材料與新工藝把無源器件內(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撲結構， 使電路的面積大大縮小，從而實現(xiàn)小型化、低成本之目的。