一種優(yōu)異溫度穩(wěn)定性Ka波段上變頻放大模塊

王志強(qiáng)，劉 星，趙 鵬，張 強(qiáng)，邊國輝，吳景峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所 第5專業(yè)部，河北 石家莊050051)

隨著通信和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代通信向著寬頻帶、多載波、多電平、大容量和高效率等方向發(fā)展。這對通信設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了更高的小型化、輕量化要求。微波上變頻放大模塊作為發(fā)射機(jī)的核心部件，它的性能是制約整個系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的關(guān)鍵因素。因此，上變頻放大器的分析、設(shè)計(jì)及溫度穩(wěn)定性成為整個微波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的S波段、X波段等低頻段發(fā)射機(jī)已不能滿足數(shù)據(jù)通信的要求，Ka波段發(fā)射機(jī)的研制可以大幅擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信的帶寬。通信系統(tǒng)中采用Ka波段，可以獲得較寬的工作頻帶，增加通信容量，同時還可以實(shí)現(xiàn)較窄波束獲得較高的有效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)值，從而減小終端天線尺寸。同時，隨著近年來微電子技術(shù)的成熟，工藝加工及微波元器件的水平大幅提升，也對Ka波段通信系統(tǒng)的發(fā)展起到了一定的加速作用［1－3］。

1 Ka波段上變頻放大模塊

1.1 工作原理

Ka波段UQPSK發(fā)射機(jī)主要由微波本振源、UQPSK調(diào)制及倍頻單元、上變頻單元和功率放大及檢波單元四部分構(gòu)成，如圖1所示。文中重點(diǎn)闡述上變頻和功率放大及檢波單元部分，如圖1中虛線框所示。

圖1 UQPSK發(fā)射機(jī)原理框圖

文中研制的上變頻放大模塊原理框圖如圖2所示。主要由放大、混頻、濾波、功率放大等幾個功能模塊組成。利用混頻器的非線性特性將S波段UQPSK調(diào)制信號搬移到Ka波段，并進(jìn)行濾波、功率放大后輸出。

圖2 上變頻放大模塊的原理框圖

如圖1所示，Ka波段上變頻放大模塊傳輸?shù)臑閁QPSK信號，因此該模塊最關(guān)鍵的指標(biāo)是系統(tǒng)線性度以及檢波電壓的溫度穩(wěn)定性。

系統(tǒng)的高線性度要求上變頻放大模塊中每個器件在溫度變化的情況下均工作在線性狀態(tài)。由于材料自身溫度特性的影響，模塊中混頻器、放大器、在高低溫下幅度波動均較大，低溫時系統(tǒng)增益高、動態(tài)范圍大，容易出現(xiàn)自激和飽和的現(xiàn)象，需對增益變化的幅度進(jìn)行補(bǔ)償。另外上變頻放大模塊也需工作在線性狀態(tài)以保證發(fā)射輸出信號的良好幅相特性。交調(diào)、諧波等非線性失真，會惡化發(fā)射機(jī)的輸出頻譜質(zhì)量并降低載波的輸出效率。在末級功率放大器之前加入射頻帶通濾波器對發(fā)射機(jī)整體性能至關(guān)重要。

檢波二極管高溫檢波效率高、低溫檢波效率低，需對運(yùn)算放大器進(jìn)行增益補(bǔ)償以達(dá)到良好的溫度穩(wěn)定性。

1.2 溫度特性分析

在不同工作環(huán)境溫度下，影響發(fā)射機(jī)幅度波動的主要器件是中頻放大器、驅(qū)動放大器和末級功率放大器。三款放大器均采用GaAs pHEMT MMIC來實(shí)現(xiàn)，多子場效應(yīng)晶體管的放大特性主要由載流子的遷移特性而不是摻雜的電離特性決定，半導(dǎo)體器件溫度實(shí)際是晶格振動劇烈程度的表征，當(dāng)溫度降低時，晶格振動變小，對載流子的散射作用變?nèi)?，載流子遷移率變高，載流子通過溝道的速度變快，此時器件的溝道電流變大，最終，溝道電流被柵壓控制形成的電流放大能力增強(qiáng)，反映出多子場效應(yīng)器件的低溫增益變大。

1.3 檢波電壓隨溫度變化原理

微波檢波器是利用半導(dǎo)體二極管的非線性特性產(chǎn)生直流電壓，用以檢測微波功率。造成不同溫度下檢波電壓變化的主要原因是檢波管檢波效率的變化。典型的檢波電路原理圖如圖3所示。

圖3 檢波電路原理圖

其中，Vb為檢波管用以調(diào)至最佳工作狀態(tài)的偏置電壓;LP為檢波器的低頻通路;CP為檢波器的微波信號通路;RL為檢波器的負(fù)載電阻;Rj為檢波二極管等效的非線性結(jié)電阻，它是主要檢波參數(shù);Cj為檢波二極管等效的結(jié)電容;Rs為檢波二極管等效的串聯(lián)電阻，它是接觸電阻、襯底電阻和擴(kuò)散電阻的總和;Ls為寄生電感;Cj是寄生電容。

檢波二極管的伏安特性由式(1)表示。

式中，Is為檢波二極管飽和電流;Vj為檢波二極管結(jié)兩端的電壓;e為單位電子電荷1.602 19×10－19C;k為波爾茲曼常數(shù)1.38×10－23J/K;T為環(huán)境溫度;n為理想因子，一般為1.05～1.2。

檢波二極管的等效結(jié)電容是隨外加電壓而變化，由式(2)表示。

檢波二極管的等效結(jié)點(diǎn)阻也是隨工作點(diǎn)電流而變化的，它由電流曲線的斜率決定，從式(1)可得到結(jié)電阻為

電壓靈敏度近似為式(4)

根據(jù)式(4)所示，隨工作溫度升高，檢波電壓靈敏度降低。隨偏置電流升高，結(jié)電阻Rj下降，檢波靈敏度降低。若加正向偏置，電流Io使檢波二極管兩端電壓降低，電壓靈敏度下降，但靈敏度特性更為平坦，有利于寬頻帶檢波。

2 Ka波段發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

2.1 多芯片模塊中鍵合引線影響的分析

在毫米波多芯片模塊設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確表征鍵合引線的寄生影響對提升模塊的整體設(shè)計(jì)水平和提高生產(chǎn)效率尤為重要，能明顯提升多芯片模塊的可生產(chǎn)性，降低組裝工藝的要求和調(diào)試難度。其中鍵合引線寄生電感是寄生影響的重要參數(shù)，在該模塊的研制過程中，基于實(shí)測數(shù)據(jù)對鍵合引線模型進(jìn)行了修正。圖4為基于GaAs襯底自制的鍵合引線寄生電感測試圖形。針對直徑為25 Vm的鍵合金絲，開展1～8根不同數(shù)量和不同長度的金絲引線進(jìn)行測試分析。同時，對式(5)進(jìn)行修正簡化為式(6)。

圖4 部分鍵合引線在片測試分析示意圖

式中:μ0為空氣介質(zhì)的導(dǎo)磁率;μr為鍵合金絲的相對導(dǎo)磁率，等于1;δ為損耗因數(shù);式(6)是寄生電感量式(5)的簡化計(jì)算表達(dá)式。對于直徑d為25μm的金絲，長度為1 000μm時，寄生電感量約0.87 nH。同時，根據(jù)系列實(shí)測數(shù)據(jù)，擬合出多根鍵合引線寄生電感量和單根鍵合引線的關(guān)系圖，如圖5所示。以2根鍵合線為例，其寄生電感量為1根鍵合線的0.75，而不是0.5［4］。

圖5 部分鍵合引線在片測試分析示意圖

2.2 Ka波段上變頻放大通道設(shè)計(jì)

采用BUDGET控制器對上變頻放大鏈路進(jìn)行小信號及線性狀態(tài)下的鏈路預(yù)算，計(jì)算出鏈路噪聲系數(shù)、增益、三階交截點(diǎn)等參數(shù)。同時，采用諧波仿真器對鏈路的非線性進(jìn)行分析，計(jì)算出交調(diào)分量。預(yù)計(jì)溫度補(bǔ)償前射頻增益高低溫變化為±4 dB，加入溫補(bǔ)衰減器(BTVA03N07GA)進(jìn)行增益補(bǔ)償后，低溫增益增加1.1 dB，高溫增益減小1 dB［5］。補(bǔ)償后鏈路的增益情況如表1所示。

表1 補(bǔ)償后鏈路的增益分配

2.3 檢波電路的溫度補(bǔ)償

設(shè)計(jì)的檢波器為窄帶檢波器，且對靈敏度要求較高，因此選擇不外加偏置電壓的形式來實(shí)現(xiàn)。檢波二極管采用2H155型蝌蚪形Ti－Si低勢壘肖特基檢波二極管芯片來實(shí)現(xiàn)。其主要電參數(shù)如表2所示。

表2 2H155型檢波二極管主要電參數(shù)表

對于本文中所述檢波電路，溫度變化引起檢波輸出電壓變化的主要原因有:(1)在高低溫工作條件下末級功率放大器的輸出駐波變化，引起耦合度的變化。(2)檢波二極管內(nèi)阻隨溫度升高而變小。第一種情況可以通過優(yōu)化放大器的輸出駐波來改善。第二種情況通過在檢波放大電路中加入溫度補(bǔ)償衰減器來補(bǔ)償。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

Ka波段上變頻放大模塊采用某所成熟的多芯片組裝技術(shù)，將各微波單片集成電路進(jìn)行功能集成。盒體的側(cè)壁與底座分別采用可伐合金和鎢銅合金加工而成。盒體采用810℃高溫銀銅焊料燒結(jié)，經(jīng)鍍金處理后完成，充分保證模塊的散熱和GaAs芯片的熱匹配。Ka波段上變頻放大模塊實(shí)物照片如圖6所示，外形尺寸為31 mm×10 mm×10 mm，重量為25 g。

圖6 Ka波段上變頻放大模塊實(shí)物圖

實(shí)現(xiàn)的Ka波段上變頻放大模塊主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。通過中頻溫補(bǔ)衰減器補(bǔ)償，低溫增益變化為1.89 dB，高溫增益變化為1.41 dB，指標(biāo)得到明顯的改善。

表3 全溫條件下Ka波段上變頻放大模塊技術(shù)指標(biāo)

檢波電路加了溫度補(bǔ)償措施后，輸出檢波電壓隨注入功率變化情況如圖7所示(歸一化值)。

圖7 溫度補(bǔ)償后不同溫度下檢波電壓隨檢測功率變化曲線

4 結(jié)束語

本文介紹了一種優(yōu)異溫度穩(wěn)定性Ka波段上變頻放大模塊的設(shè)計(jì)方法，該模塊的制作采用了多芯片組裝技術(shù)，大幅減小了模塊的體積和重量，同時具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和工程實(shí)用性。

［1］ROBERTSON I D，LUCYSZYN S.RFIC and MMIC design and technology［M］.London，UK:Institution of Electrical Engineers，2001.

［2］TONAMI Y，F(xiàn)UJII K，IGARASHIK，et al.Nonlinear analysis of FET switch［C］.IEICE Nat.Conf.Digest.Tokyo，1997:C－2－51.

［3］LIAM D.The design of integrated switches and phase shifters［C］.London，UK:IEE Colloquium on the Design of RFICs and MMICs，November，1999.

［4］《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.

［5］ 徐俊斌.Ka波段寬帶單片低噪聲放大器的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.