应用于Ka波段无线通信的发射前端模块设计与制造

2017-11-10 21:49:58 现代电子技术2017年21期

陈守维++王启东++陈诚++李君++汪鑫++曹立强++陆原

摘 要: 介绍一种应用于Ka波段无线通信的发射前端模块,该模块由混频器、微带滤波器、压控振荡器、倍频器、功率放大器构成。射频(RF)信号工作在27.4~28 GHz频段内,中频信号固定在1 GHz。仿真结果显示,在工作频段内发射前端增益超过10 dB,发射功率為11.823 dBm,并且交调信号被抑制在63 dBc以下。在全部芯片工作的条件下,温度仿真结果显示芯片的结温低于64 ℃。测试结果显示,在工作频段内输出端信号线插入损耗低于0.34 dB,回波损耗小于-20 dB,VCO的8分频输出功率是-10.66 dBm。

关键词: 发射前端; 温度; Ka波段; 射频信号

中图分类号: TN828?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)21?0039?04

Design and manufacture of transmitting front?end module for

wireless communication in Ka?band

CHEN Shouwei1, 2, WANG Qidong1, 2, CHEN Cheng1, 2, LI Jun1, 2, WANG Xin1, 2, CAO Liqiang1, 2, LU Yuan1, 2

(1. System Packaging and Integration Technology Center, Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;

2. National Center for Advanced Packaging Co., Ltd., Wuxi 214135, China)

Abstract: A transmitting front?end module for wireless communication in Ka?band is introduced, which is composed of the frequency mixer, microstrip filter, voltage?controlled oscillator (VCO), frequency multiplier and power amplifier. When the RF signals work at 27.4~28 GHz, the intermediate?frequency signal is fixed in 1 GHz. The simulation results show that the gain of the transmitting front?end is more than 10 dB, the transmitting power is 11.823 dBm, and the intermodulation signal is suppressed below 63 dBc while the signal works within the working frequency band. When all chips are working, the temperature simulation result show that the junction temperature of the chip is below 64 ℃. The test results show that, when the signal works within the working frequency, the insertion loss of the signal line in output terminal is less than 0.34 dB, the return loss is less than -20 dB, and the VCO output power after 8 frequency division is -10.66 dBm.

Keywords: transmitting front?end; temperature; Ka?band; RF signal

近年来,随着集成电路的快速发展,特别是毫米波器件成本的下降和性能的提升,为研发具有高速率,宽频带,大容量,小体积的无线通信系统提供了条件。毫米波频段具有更多的载频分配,且载频能直接转换成更高的传输速率;毫米波段有大量潜在的商用通信,例如,点对多的通信、卫星通信、成像系统,因此毫米波是将来为无线通信服务和雷达应用最具潜力的频段[1?5]。发射前端是无线通信系统核心部件之一,它的成本直接影响通信系统的架构,因此,设计具有高集成度、高性能、低成本的Ka波段发射前端是必要的。然而,高集成度使射频前端制造和系统温度管理带来巨大的挑战。低温共烧陶瓷(LTCC)是解决高集成封装技术和减少发射模块尺寸的方法,但是,低温共烧陶瓷(LTCC)成本太高,可靠性较差,不易于大规模生产[6?10]。

本文提出一种新型的多层PCB结构,这种结构适用于高集成度的准毫米波系统,使用该结构设计了一款Ka波段的发射前端模块,并对相关电路进行设计,给出了仿真和测试结果。该模块具有加工调试方便、工作稳定、性能良好等特点。

1 Ka波段发射前端

1.1 系统指标计算与仿真

发射模块是将基带信号变频到射频信号,并放大到足够功率发射。发射功率、邻道抑制(ACLR)和矢量幅度误差(EVM)是发射机的重要指标。发射功率的设定和天线辐射范围及通信距离、调制方式、最小信噪比、工作环境等有关。发射功率太小达不到最低信噪比的要求,功率太大将对相邻信道造成干扰,发射机元器件的非线性原因会产生很多谐波成分,邻道抑制是对谐波要求的指标,要求谐波功率小于有用信道功率的一定值。endprint

图1为发射前端的设计原理图。它由功率放大器、混频器、有源宽频带的[×2]倍频器、微带滤波器和压控振荡器(VCO)组成。LO信号由压控振荡器(VCO)产生,通过倍频器倍频,最终到达混频器的LO端口与IF信号进行混频。IF信号则通过Aglient矢量信号源产生。LO信号与IF信号通过混频器混频,得到射频信号(RF),经过滤波器、功率放大器到达频谱仪。

为验证链路预算的合理性,采用谐波平衡的分析方法在ADS 中进行发射链路的仿真,确定发射功率以及谐波抑制,本文选择GaAs无源混频器和GaAs PHEMT有源功率放大器 ,根据厂商给的测试数据,导入仿真原理图中,并考虑各级之间存在的损耗,建立发射链路模型如图2所示。

在IF工作频率为1 GHz,输出功率为0 dBm;VCO工作频率在27 GHz,输出功率为-7 dBm的情况下,得到射频信号输出功率的频谱如图3所示,从结果可以看出,28 GHz的发射功率大于11 dBm,[m2]是-52.422 dBm,与有用信号相比,其谐波抑制大于63 dBc,且本振信号也被抑制小于-24 dBm,满足系统要求。

1.2 PCB叠层设计

PCB是电子产品的基础,从计算机、便携式电子设备等几乎所有的电子产品中都有电路板的存在。随着通信技术的发展,无线射频电路技术运用越来越广,射频模块趋于小型化,集成度高,而小型化意味着元器件的密度很大,这使得元器件的相互干擾十分突出。因此,要设计一个完美的射频电路的PCB,以防止并抑制电磁干扰从而提高电磁兼容,让系统的性能达到最优,让无源器件的损耗降到最低。因此PCB叠层对射频系统的设计有着非常重要的意义。图4(a)呈现的是一种新型的PCB叠层,图4(b)呈现的是使用这种结构实现的发射前端实物图。顶层和第二层,第三层与第四层之间的介质是Taconnic TLY_5,厚度是127 μm,介电常数是2.2,损耗角是0.009。中间的第二层与第三层是用低成本的FR4作为PP。在PCB顶层,挖通槽用来放MMIC芯片,芯片与外部电路连接是通过邦定线,底部用铜基作为衬底。中间层与顶层之间的互连是通过金属孔。

系统的电源层设计在PCB第三层,相邻的两层都是地,这样可以减少电源和地平面的阻抗,因此可以减少芯片供电的压降,保证芯片正常工作。一个完整的电源网络(PDN)能够抑制噪声,例如,开关转换瞬态噪声(SSN)。

2 系统热管理

一个高集成度的射频系统,因为其体积小,功率密度迅速增加,温度会急剧增高,又因为温度对芯片的工作性能有重要的影响,特别是在特殊芯片中,例如,功率放大器等。因此,快速驱散热量是系统非常大的一个挑战,在这部分设计了两种PCB版图:一种是挖台阶槽;另一种是挖通槽。使用Ansys Icepak来评估热驱散的能力,仿真温度是设置在自然条件下的20 ℃。芯片的总功率是1.702 W,其他芯片是无源的,功耗可以忽略,芯片的各个参数见表1。图5(a)呈现的是挖台阶槽的仿真结果,从结果可以看到,热量集中在芯片上,不能很快地传导到基板上,而此时的芯片结温高于81 ℃,这已经超过芯片最高结温的要求,因此很可能导致芯片无法工作,不能满足系统的要求。

从图5可知,挖通槽用铜基板衬底能有效地把热量传导出来,整个PCB系统的温度均匀分布在铜基板上,且芯片的最高温度低于64 ℃,正符合设计要求,整体设计如图6所示,通过使用高效的散热方法,如加散热片和铜基板,达到了良好的散热效果。

3 测 试

压控振荡器(VCO)采用ADI公司的商用芯片HMC401QS16GE,这是一款相位噪声优良的芯片,在100 kHz处频偏的相位噪声是-105 dBc,并且能提供本振频率为13.2~13.5 GHz,输出功率为-7 dBm,具有8分频的输出端口,其测试结果见图7。

从结果可知,8分频输出口为1.666 3 GHz时,输出功率为-10.66 dBm,与厂商给出的数据相差3 dB,因为测试时有传输线损耗,其插入损耗为-0.76 dB,且接入频谱仪的连接器的插损有1~2 dB,已经达到了厂商给的参数指标。

输出端关键信号线的[S]参数测试结果如图8所示,可以看到,在28 GHz时,插入损耗小于0.34 dB,回波损耗小于-20 dB,满足设计要求。

4 结 论

本文针对Ka波段设计了一款准毫米波射频发射前端模块,所有元器件集成在一种新型的PCB叠层中,包括功率放大器、混频器、压控振荡器、倍频器、微带滤波器。中频输入信号固定在1 GHz,LO在13.2~13.5 GHz,经过倍频后,所得LO为26.4~27 GHz,射频输出信号为27.4~28 GHz,发射功率达到11.86 dBm,射频输出信号端的传输线的插入损耗低于0.34 dB,回波损耗低于-20 dB,热仿真显示芯片结温都在64 ℃以下,具有很强的应用价值。

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