小型化900MHz LTCC微波功率放大器模塊研制.pdf

1、眾所周知,功率放大器模塊是微波通信發(fā)射機(jī)的重要組成部分,它完成對(duì)上行鏈路信號(hào)的放大發(fā)射功能,廣泛的應(yīng)用于各種地面設(shè)備和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中.國(guó)內(nèi)移動(dòng)市場(chǎng)基本上被國(guó)外品牌所占領(lǐng),移動(dòng)通信系統(tǒng)屬于器件密集型系統(tǒng),沒(méi)有器件的國(guó)產(chǎn)化,就不能算真正意義上的國(guó)產(chǎn)化.為提高民族信息領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力,研制自主的功率放大器模塊勢(shì)在必行.為了更精確設(shè)計(jì)由SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)管芯構(gòu)成的微波功率放大器,本論文提出了一種新穎的從管殼封裝器件的S參數(shù)中提取出管芯S參

2、數(shù)方法.首先,測(cè)量出管殼封裝器件和管殼的S參數(shù),把管殼和鍵合線均表示為由電容、電感、電阻組成的等效電路,再用微波仿真軟件(Microwave Office)優(yōu)化出元件數(shù)值.之后,在有管殼封裝器件的S參數(shù)模型中,加上負(fù)的寄生參量的等效電路,即可得到管芯的S參數(shù).針對(duì)LTCC基板布線附著性較差,貼裝元器件等電路后續(xù)加工困難,布線容易脫落和管芯尺寸小,鍵合時(shí)各級(jí)之間容易短路的問(wèn)題,進(jìn)行LTCC基板后續(xù)貼裝和管芯鍵合工藝實(shí)驗(yàn).通過(guò)實(shí)驗(yàn),探索出了

3、合適的貼裝方式(183℃焊膏貼裝)和管芯鍵合工藝(直徑18μm的金絲球焊).使元件能穩(wěn)固的貼裝在基板上,管芯能穩(wěn)定的工作.在解決了一系列工藝難題的基礎(chǔ)上研制出了LTCC功放模塊.該功放模塊采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu),第一級(jí)采用一個(gè)管芯,第二級(jí)并聯(lián)兩個(gè)管芯,第三級(jí)并聯(lián)四個(gè)管芯.先研制環(huán)氧基片的單層板微波功率放大器,為L(zhǎng)TCC功率放大器研制提供參考.直流偏置網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò),通過(guò)由兩個(gè)電阻組成的電阻分壓器為基極提供直流電壓,上偏電阻從電源串聯(lián)到基

4、極,下偏電阻從基極到地,集電極直接加電.下偏電阻要選取適中,過(guò)大會(huì)使射頻信號(hào)推動(dòng)集電極電流的能力過(guò)小,過(guò)小容易使放大器不穩(wěn)定.最終經(jīng)過(guò)調(diào)試,三級(jí)的下偏電阻分別選取為240Ω,220Ω和100Ω.第一級(jí)和第二級(jí)工作在A類(lèi)狀態(tài),第三級(jí)工作在AB類(lèi)狀態(tài).高頻匹配網(wǎng)絡(luò)主要采取集中參數(shù)低通形式,串聯(lián)部分電感、電容參加匹配,并聯(lián)部分對(duì)地電容參加匹配.用Microwave Office進(jìn)行電路仿真,保證電路的基本性能.然后,依此基礎(chǔ)進(jìn)行電路裝配.最后

5、,進(jìn)行電路調(diào)試,使電路達(dá)到良好的性能指標(biāo).仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果與實(shí)際電路有差異,這是因?yàn)榉抡孳浖前凑諊?yán)格的電路模型仿真,不能涉及電路中的一些實(shí)際情況,如接地通孔、微波接頭等因素的影響.此外,電容、電感的Q值也沒(méi)有考慮進(jìn)去.而隨著輸入信號(hào)的增大,增益壓縮較快,大信號(hào)下增益較低.這是因?yàn)榉抡嬖O(shè)計(jì)是按照小信號(hào)S參數(shù)進(jìn)行,沒(méi)有考慮到大信號(hào)下管芯的參數(shù)變化.經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為是因?yàn)榇笮盘?hào)下第二級(jí)與第三級(jí)級(jí)間匹配、第三級(jí)輸出匹配不是十分良好.經(jīng)過(guò)調(diào)試第二級(jí)與

6、第三級(jí)級(jí)間匹配、第三級(jí)輸出匹配,放大器最終性能良好.對(duì)于LTCC功率放大器,首先用Microwave Office仿真設(shè)計(jì),然后參照設(shè)計(jì)結(jié)果和環(huán)氧基片的單層板微波功率放大器的研制結(jié)果,確定工作點(diǎn)和高頻匹配網(wǎng)絡(luò).增益和效率比單層板微波功率放大器低,這是因?yàn)長(zhǎng)TCC不能進(jìn)行元件替換來(lái)調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò),所以依據(jù)仿真結(jié)果和環(huán)氧基片的單層板微波功率放大器研制結(jié)果進(jìn)行元件的選擇.而管芯之間存在一定的個(gè)體差異,并且兩種功率放大器布線差異較大,而且LTCC

7、是多層結(jié)構(gòu),環(huán)氧基片的單層板微波功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)并不是LTCC微波功率放大器的最佳匹配網(wǎng)絡(luò).最終研制出的LTCC微波功率放大器結(jié)果如下:3層基片,4層布線結(jié)構(gòu).長(zhǎng)19.3mm,寬7.5mm.在典型輸入功率3dBm時(shí),900MHz頻率點(diǎn)上增益為20.7dB,增益平坦度△G<0.5dB,輸入駐波為1.6,輸出駐波為1.2,輸出功率P<,out>=234mW,二次諧波為32.1dBC,三次諧波為48.8dBC,功率附加效率η<,add>=