基于LTCC技术的S波段低噪声放大器的小型化设计

只看该作者 · 2019-7-27 18:23

基于LTCC技术的S波段低噪声放大器的小型化设计

摘要：分析了低温共烧陶瓷(LTCC) 的技术优势和低噪声放大器的工作原理，介绍了该放大器的小型化设计与内埋置方法，提出了一种合理的电路拓扑结构，从而减少了电路的面积与元器件数量。为电路与系统的小型化与低成本设计提供一个参考。

0 引言

低温共烧陶瓷(LTCC) 技术是上世纪80年代中期出现的一种新型多层基板工艺技术，低温共烧陶瓷(LTCC) 采用独特的材料体系，故其烧结温度很低，并可与金属导体共同烧制，从而大大提高了电子器件的性能。

本文利用低温共烧陶瓷(LTCC) 技术的优势设计了一种用于无线局域网的小型化、低噪声的放大器。事实上，低噪声微波放大器(LNA) 目前已经应用于微波通信、GPS 接收机、遥感遥控、雷达、电子对抗、射电天文、大地测绘、电视及各种高精度的微波测量系统中，而且，随着工业技术的发展，其小型化技术也越来越受到人们的关注。

1 LTCC的技术优势

与普通的FR4板材相比， LTCC基板具有明显的高频优势。由于其三维多层集成功能，因此，与传统的微波板(主要是聚四氟乙烯PTFE类产品) 相比， LTCC在体积上占有明显的优势。此外， LTCC材料的介电常数范围宽，可适应各种频段的应用需求。与HTCC相比，由于LTCC烧结温度低，可采用低熔点、低损耗的银、金等导体浆料进行布线印刷，因而极大地降低了LTCC产品的损耗；并且与半导体工艺的热胀系数非常接近，更利于有源/无源集成。综上所述， LTCC技术具有如下优点：

◇ LTCC材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHz，能很好的满足日益发展的无线射频微波应用要求；

◇ 使用银、金、铜及其合金等高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子，制作的电路导体损耗小；

◇ 集成度高，低温共烧陶瓷(LTCC) 可以制作层数很高的电路基板，一般可以达到几十层甚至上百层，并可将多个无源组件埋入其中，而且能集成的组件种类多、参量范围大。除L/R/C外，LTCC还可将敏感组件、EMI抑制组件、电路保护组件等集成在一起，并对有源器件/芯片可表贴，以实现有源/无源集成，有利于提高电路的组装密度；

◇ 可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；

◇ 可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境，如军事通讯设备、航空航天电子、汽车电子等；

◇ 成本较低，属于非连续式生产工艺，允许对生瓷基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。

2 整体设计方案

2.1 低噪声放大器设计原理

低噪声放大器与一般的放大器的不同之处在于，低噪放是按照噪声来最佳匹配而并非最大增益点，因此，增益相对会下降。噪声最佳匹配情况下的增益称为相关增益。通常相关增益比最大增益大概低2～4dB。

2.2 性能指标、器件选择与单级电路仿真

本设计采用两级放大，指标要求如下：噪声系数≦0.8dB；增益≧24dB；增益平坦度为±0.5dB；输入输出驻波≦1.3，且DC～14GH稳定。

设计时，第一级放大器可选用ATF55143，它的优势是增益高，噪声系数小，体积小，工作电流较小，静态工作点稳定，不易自激。其基板采用ferro公司的A6膜片并考虑到内埋置电感、电容与机械强度等因素，电路基板的厚度为0.6mm。

第一级偏置与匹配电路的示意图如图1所示。

图1 第一级偏置与匹配电路示意图

图1 中， C1、L1、C2、L2的合理选择对噪声、S11、S22、增益等能否达到指标具有非常重要的作用。这两组L/C高通滤波电路也能有效的抑制低频震荡。R1和R2的合理选择不但可以降低漏电流，而且还可起到稳定低频信号的作用。

C3、C6旁路电容可起到滤波和稳定的作用。R3、R4则用于为栅极提供合适的开启电压。

源级串联负反馈对全频带的稳定性有着举足轻重的作用。这两段微带线相当于串联了一个小电感，其好处是简单、方便、可以降低成本，且方便调试。电路可以通过合适的匹配与负反馈巧妙的把偏置电路与输入、输出电路结合在一起，这样，不但可以节省面积而且可以减少器件并节省成本。

本设计的第二级采用的是RFMD公司的单片放大器SPF-5O43Z，它的优点是体积小，便于小型化设计、噪声低、供电电路简单、且稳定性好。这两级放大器均是单电源供电，供电电压低，电流小，便于调整。

2.3 两级电路的调试与优化

两级电路合并与调试过程中所遇到的困难，主要是稳定性与输入驻波可能不达标的问题。在仿真过后，也会发现很多地方并不符合实际要求，比如电容、电感、电阻的值可能不符合实际需要，线宽太窄等。因此，在仿完单级电路之后，如果只是简单的把各级电路连在一起，往往会达不到指标要求。图2所示就是其整体电路的仿真结果。

图2 整体电路仿真结果

实际上，通过调试和优化，其结果也可以达到所要求的指标。然而，单级电路仿真后，由于级间匹配等问题，一般还要进一步调试与优化，特别应当注意的是第一级放大器的S22虽然在仿真时可以不用要求太严格，但也不能太差，一般要求S22要小于-10dB，否则会在两级合并时严重影响输入、输出驻波。图3所示是ADS的整体仿真电路。