應(yīng)用于Ka波段無(wú)線通信的發(fā)射前端模塊設(shè)計(jì)與制造

陳守維++王啟東++陳誠(chéng)++李君++汪鑫++曹立強(qiáng)++陸原

摘 要： 介紹一種應(yīng)用于Ka波段無(wú)線通信的發(fā)射前端模塊，該模塊由混頻器、微帶濾波器、壓控振蕩器、倍頻器、功率放大器構(gòu)成。射頻（RF）信號(hào)工作在27.4～28 GHz頻段內(nèi)，中頻信號(hào)固定在1 GHz。仿真結(jié)果顯示，在工作頻段內(nèi)發(fā)射前端增益超過(guò)10 dB，發(fā)射功率為11.823 dBm，并且交調(diào)信號(hào)被抑制在63 dBc以下。在全部芯片工作的條件下，溫度仿真結(jié)果顯示芯片的結(jié)溫低于64 ℃。測(cè)試結(jié)果顯示，在工作頻段內(nèi)輸出端信號(hào)線插入損耗低于0.34 dB，回波損耗小于-20 dB，VCO的8分頻輸出功率是-10.66 dBm。

關(guān)鍵詞： 發(fā)射前端； 溫度； Ka波段； 射頻信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN828?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

近年來(lái)，隨著集成電路的快速發(fā)展，特別是毫米波器件成本的下降和性能的提升，為研發(fā)具有高速率，寬頻帶，大容量，小體積的無(wú)線通信系統(tǒng)提供了條件。毫米波頻段具有更多的載頻分配，且載頻能直接轉(zhuǎn)換成更高的傳輸速率；毫米波段有大量潛在的商用通信，例如，點(diǎn)對(duì)多的通信、衛(wèi)星通信、成像系統(tǒng)，因此毫米波是將來(lái)為無(wú)線通信服務(wù)和雷達(dá)應(yīng)用最具潛力的頻段[1?5]。發(fā)射前端是無(wú)線通信系統(tǒng)核心部件之一，它的成本直接影響通信系統(tǒng)的架構(gòu)，因此，設(shè)計(jì)具有高集成度、高性能、低成本的Ka波段發(fā)射前端是必要的。然而，高集成度使射頻前端制造和系統(tǒng)溫度管理帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。低溫共燒陶瓷（LTCC）是解決高集成封裝技術(shù)和減少發(fā)射模塊尺寸的方法，但是，低溫共燒陶瓷（LTCC）成本太高，可靠性較差，不易于大規(guī)模生產(chǎn)[6?10]。

本文提出一種新型的多層PCB結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于高集成度的準(zhǔn)毫米波系統(tǒng)，使用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款Ka波段的發(fā)射前端模塊，并對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了仿真和測(cè)試結(jié)果。該模塊具有加工調(diào)試方便、工作穩(wěn)定、性能良好等特點(diǎn)。

1 Ka波段發(fā)射前端

1.1 系統(tǒng)指標(biāo)計(jì)算與仿真

發(fā)射模塊是將基帶信號(hào)變頻到射頻信號(hào)，并放大到足夠功率發(fā)射。發(fā)射功率、鄰道抑制（ACLR）和矢量幅度誤差（EVM）是發(fā)射機(jī)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率的設(shè)定和天線輻射范圍及通信距離、調(diào)制方式、最小信噪比、工作環(huán)境等有關(guān)。發(fā)射功率太小達(dá)不到最低信噪比的要求，功率太大將對(duì)相鄰信道造成干擾，發(fā)射機(jī)元器件的非線性原因會(huì)產(chǎn)生很多諧波成分，鄰道抑制是對(duì)諧波要求的指標(biāo)，要求諧波功率小于有用信道功率的一定值。endprint

圖1為發(fā)射前端的設(shè)計(jì)原理圖。它由功率放大器、混頻器、有源寬頻帶的[×2]倍頻器、微帶濾波器和壓控振蕩器（VCO）組成。LO信號(hào)由壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生，通過(guò)倍頻器倍頻，最終到達(dá)混頻器的LO端口與IF信號(hào)進(jìn)行混頻。IF信號(hào)則通過(guò)Aglient矢量信號(hào)源產(chǎn)生。LO信號(hào)與IF信號(hào)通過(guò)混頻器混頻，得到射頻信號(hào)（RF），經(jīng)過(guò)濾波器、功率放大器到達(dá)頻譜儀。

為驗(yàn)證鏈路預(yù)算的合理性，采用諧波平衡的分析方法在ADS 中進(jìn)行發(fā)射鏈路的仿真，確定發(fā)射功率以及諧波抑制，本文選擇GaAs無(wú)源混頻器和GaAs PHEMT有源功率放大器 ，根據(jù)廠商給的測(cè)試數(shù)據(jù)，導(dǎo)入仿真原理圖中，并考慮各級(jí)之間存在的損耗，建立發(fā)射鏈路模型如圖2所示。

在IF工作頻率為1 GHz，輸出功率為0 dBm；VCO工作頻率在27 GHz，輸出功率為-7 dBm的情況下，得到射頻信號(hào)輸出功率的頻譜如圖3所示，從結(jié)果可以看出，28 GHz的發(fā)射功率大于11 dBm，[m2]是-52.422 dBm，與有用信號(hào)相比，其諧波抑制大于63 dBc，且本振信號(hào)也被抑制小于-24 dBm，滿足系統(tǒng)要求。

1.2 PCB疊層設(shè)計(jì)

PCB是電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，從計(jì)算機(jī)、便攜式電子設(shè)備等幾乎所有的電子產(chǎn)品中都有電路板的存在。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線射頻電路技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣，射頻模塊趨于小型化，集成度高，而小型化意味著元器件的密度很大，這使得元器件的相互干擾十分突出。因此，要設(shè)計(jì)一個(gè)完美的射頻電路的PCB，以防止并抑制電磁干擾從而提高電磁兼容，讓系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)，讓無(wú)源器件的損耗降到最低。因此PCB疊層對(duì)射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。圖4（a）呈現(xiàn)的是一種新型的PCB疊層，圖4（b）呈現(xiàn)的是使用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的發(fā)射前端實(shí)物圖。頂層和第二層，第三層與第四層之間的介質(zhì)是Taconnic TLY_5，厚度是127 μm，介電常數(shù)是2.2，損耗角是0.009。中間的第二層與第三層是用低成本的FR4作為PP。在PCB頂層，挖通槽用來(lái)放MMIC芯片，芯片與外部電路連接是通過(guò)邦定線，底部用銅基作為襯底。中間層與頂層之間的互連是通過(guò)金屬孔。

系統(tǒng)的電源層設(shè)計(jì)在PCB第三層，相鄰的兩層都是地，這樣可以減少電源和地平面的阻抗，因此可以減少芯片供電的壓降，保證芯片正常工作。一個(gè)完整的電源網(wǎng)絡(luò)（PDN）能夠抑制噪聲，例如，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬態(tài)噪聲（SSN）。

2 系統(tǒng)熱管理

一個(gè)高集成度的射頻系統(tǒng)，因?yàn)槠潴w積小，功率密度迅速增加，溫度會(huì)急劇增高，又因?yàn)闇囟葘?duì)芯片的工作性能有重要的影響，特別是在特殊芯片中，例如，功率放大器等。因此，快速驅(qū)散熱量是系統(tǒng)非常大的一個(gè)挑戰(zhàn)，在這部分設(shè)計(jì)了兩種PCB版圖：一種是挖臺(tái)階槽；另一種是挖通槽。使用Ansys Icepak來(lái)評(píng)估熱驅(qū)散的能力，仿真溫度是設(shè)置在自然條件下的20 ℃。芯片的總功率是1.702 W，其他芯片是無(wú)源的，功耗可以忽略，芯片的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表1。圖5（a）呈現(xiàn)的是挖臺(tái)階槽的仿真結(jié)果，從結(jié)果可以看到，熱量集中在芯片上，不能很快地傳導(dǎo)到基板上，而此時(shí)的芯片結(jié)溫高于81 ℃，這已經(jīng)超過(guò)芯片最高結(jié)溫的要求，因此很可能導(dǎo)致芯片無(wú)法工作，不能滿足系統(tǒng)的要求。

從圖5可知，挖通槽用銅基板襯底能有效地把熱量傳導(dǎo)出來(lái)，整個(gè)PCB系統(tǒng)的溫度均勻分布在銅基板上，且芯片的最高溫度低于64 ℃，正符合設(shè)計(jì)要求，整體設(shè)計(jì)如圖6所示，通過(guò)使用高效的散熱方法，如加散熱片和銅基板，達(dá)到了良好的散熱效果。

3 測(cè) 試

壓控振蕩器（VCO）采用ADI公司的商用芯片HMC401QS16GE，這是一款相位噪聲優(yōu)良的芯片，在100 kHz處頻偏的相位噪聲是-105 dBc，并且能提供本振頻率為13.2～13.5 GHz，輸出功率為-7 dBm，具有8分頻的輸出端口，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

從結(jié)果可知，8分頻輸出口為1.666 3 GHz時(shí)，輸出功率為-10.66 dBm，與廠商給出的數(shù)據(jù)相差3 dB，因?yàn)闇y(cè)試時(shí)有傳輸線損耗，其插入損耗為-0.76 dB，且接入頻譜儀的連接器的插損有1～2 dB，已經(jīng)達(dá)到了廠商給的參數(shù)指標(biāo)。

輸出端關(guān)鍵信號(hào)線的[S]參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖8所示，可以看到，在28 GHz時(shí)，插入損耗小于0.34 dB，回波損耗小于-20 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)Ka波段設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)毫米波射頻發(fā)射前端模塊，所有元器件集成在一種新型的PCB疊層中，包括功率放大器、混頻器、壓控振蕩器、倍頻器、微帶濾波器。中頻輸入信號(hào)固定在1 GHz，LO在13.2～13.5 GHz，經(jīng)過(guò)倍頻后，所得LO為26.4～27 GHz，射頻輸出信號(hào)為27.4～28 GHz，發(fā)射功率達(dá)到11.86 dBm，射頻輸出信號(hào)端的傳輸線的插入損耗低于0.34 dB，回波損耗低于-20 dB，熱仿真顯示芯片結(jié)溫都在64 ℃以下，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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