一种优异温度稳定性Ka波段上变频放大模块

2013-04-25王志强边国辉吴景峰

电子科技 2013年10期

王志强，刘星，赵鹏，张强，边国辉，吴景峰

(中国电子科技集团公司第13研究所第5专业部，河北石家庄050051)

随着通信和微电子技术的迅速发展，现代通信向着宽频带、多载波、多电平、大容量和高效率等方向发展。这对通信设备的设计提出了更高的小型化、轻量化要求。微波上变频放大模块作为发射机的核心部件，它的性能是制约整个系统性能和技术水平的关键因素。因此，上变频放大器的分析、设计及温度稳定性成为整个微波数据通信系统构建的关键。传统的S波段、X波段等低频段发射机已不能满足数据通信的要求，Ka波段发射机的研制可以大幅扩展数据通信的带宽。通信系统中采用Ka波段，可以获得较宽的工作频带，增加通信容量，同时还可以实现较窄波束获得较高的有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)值，从而减小终端天线尺寸。同时，随着近年来微电子技术的成熟，工艺加工及微波元器件的水平大幅提升，也对Ka波段通信系统的发展起到了一定的加速作用［1－3］。

1 Ka波段上变频放大模块

1.1 工作原理

Ka波段UQPSK发射机主要由微波本振源、UQPSK调制及倍频单元、上变频单元和功率放大及检波单元四部分构成，如图1所示。文中重点阐述上变频和功率放大及检波单元部分，如图1中虚线框所示。

图1 UQPSK发射机原理框图

文中研制的上变频放大模块原理框图如图2所示。主要由放大、混频、滤波、功率放大等几个功能模块组成。利用混频器的非线性特性将S波段UQPSK调制信号搬移到Ka波段，并进行滤波、功率放大后输出。

图2 上变频放大模块的原理框图

如图1所示，Ka波段上变频放大模块传输的为UQPSK信号，因此该模块最关键的指标是系统线性度以及检波电压的温度稳定性。

系统的高线性度要求上变频放大模块中每个器件在温度变化的情况下均工作在线性状态。由于材料自身温度特性的影响，模块中混频器、放大器、在高低温下幅度波动均较大，低温时系统增益高、动态范围大，容易出现自激和饱和的现象，需对增益变化的幅度进行补偿。另外上变频放大模块也需工作在线性状态以保证发射输出信号的良好幅相特性。交调、谐波等非线性失真，会恶化发射机的输出频谱质量并降低载波的输出效率。在末级功率放大器之前加入射频带通滤波器对发射机整体性能至关重要。

检波二极管高温检波效率高、低温检波效率低，需对运算放大器进行增益补偿以达到良好的温度稳定性。

1.2 温度特性分析

在不同工作环境温度下，影响发射机幅度波动的主要器件是中频放大器、驱动放大器和末级功率放大器。三款放大器均采用GaAs pHEMT MMIC来实现，多子场效应晶体管的放大特性主要由载流子的迁移特性而不是掺杂的电离特性决定，半导体器件温度实际是晶格振动剧烈程度的表征，当温度降低时，晶格振动变小，对载流子的散射作用变弱，载流子迁移率变高，载流子通过沟道的速度变快，此时器件的沟道电流变大，最终，沟道电流被栅压控制形成的电流放大能力增强，反映出多子场效应器件的低温增益变大。

1.3 检波电压随温度变化原理

微波检波器是利用半导体二极管的非线性特性产生直流电压，用以检测微波功率。造成不同温度下检波电压变化的主要原因是检波管检波效率的变化。典型的检波电路原理图如图3所示。

图3 检波电路原理图

其中，Vb为检波管用以调至最佳工作状态的偏置电压;LP为检波器的低频通路;CP为检波器的微波信号通路;RL为检波器的负载电阻;Rj为检波二极管等效的非线性结电阻，它是主要检波参数;Cj为检波二极管等效的结电容;Rs为检波二极管等效的串联电阻，它是接触电阻、衬底电阻和扩散电阻的总和;Ls为寄生电感;Cj是寄生电容。

检波二极管的伏安特性由式(1)表示。

式中，Is为检波二极管饱和电流;Vj为检波二极管结两端的电压;e为单位电子电荷1.602 19×10－19C;k为波尔兹曼常数1.38×10－23J/K;T为环境温度;n为理想因子，一般为1.05～1.2。

检波二极管的等效结电容是随外加电压而变化，由式(2)表示。

检波二极管的等效结点阻也是随工作点电流而变化的，它由电流曲线的斜率决定，从式(1)可得到结电阻为

电压灵敏度近似为式(4)

根据式(4)所示，随工作温度升高，检波电压灵敏度降低。随偏置电流升高，结电阻Rj下降，检波灵敏度降低。若加正向偏置，电流Io使检波二极管两端电压降低，电压灵敏度下降，但灵敏度特性更为平坦，有利于宽频带检波。

2 Ka波段发射模块设计

2.1 多芯片模块中键合引线影响的分析

在毫米波多芯片模块设计中，准确表征键合引线的寄生影响对提升模块的整体设计水平和提高生产效率尤为重要，能明显提升多芯片模块的可生产性，降低组装工艺的要求和调试难度。其中键合引线寄生电感是寄生影响的重要参数，在该模块的研制过程中，基于实测数据对键合引线模型进行了修正。图4为基于GaAs衬底自制的键合引线寄生电感测试图形。针对直径为25 Vm的键合金丝，开展1～8根不同数量和不同长度的金丝引线进行测试分析。同时，对式(5)进行修正简化为式(6)。

图4 部分键合引线在片测试分析示意图

式中:μ0为空气介质的导磁率;μr为键合金丝的相对导磁率，等于1;δ为损耗因数;式(6)是寄生电感量式(5)的简化计算表达式。对于直径d为25μm的金丝，长度为1 000μm时，寄生电感量约0.87 nH。同时，根据系列实测数据，拟合出多根键合引线寄生电感量和单根键合引线的关系图，如图5所示。以2根键合线为例，其寄生电感量为1根键合线的0.75，而不是0.5［4］。

图5 部分键合引线在片测试分析示意图

2.2 Ka波段上变频放大通道设计

采用BUDGET控制器对上变频放大链路进行小信号及线性状态下的链路预算，计算出链路噪声系数、增益、三阶交截点等参数。同时，采用谐波仿真器对链路的非线性进行分析，计算出交调分量。预计温度补偿前射频增益高低温变化为±4 dB，加入温补衰减器(BTVA03N07GA)进行增益补偿后，低温增益增加1.1 dB，高温增益减小1 dB［5］。补偿后链路的增益情况如表1所示。

表1 补偿后链路的增益分配

2.3 检波电路的温度补偿

设计的检波器为窄带检波器，且对灵敏度要求较高，因此选择不外加偏置电压的形式来实现。检波二极管采用2H155型蝌蚪形Ti－Si低势垒肖特基检波二极管芯片来实现。其主要电参数如表2所示。

表2 2H155型检波二极管主要电参数表

对于本文中所述检波电路，温度变化引起检波输出电压变化的主要原因有:(1)在高低温工作条件下末级功率放大器的输出驻波变化，引起耦合度的变化。(2)检波二极管内阻随温度升高而变小。第一种情况可以通过优化放大器的输出驻波来改善。第二种情况通过在检波放大电路中加入温度补偿衰减器来补偿。

3 实验结果与讨论

Ka波段上变频放大模块采用某所成熟的多芯片组装技术，将各微波单片集成电路进行功能集成。盒体的侧壁与底座分别采用可伐合金和钨铜合金加工而成。盒体采用810℃高温银铜焊料烧结，经镀金处理后完成，充分保证模块的散热和GaAs芯片的热匹配。Ka波段上变频放大模块实物照片如图6所示，外形尺寸为31 mm×10 mm×10 mm，重量为25 g。