基于LTCC技术的S波段低噪声放大器的小型化设计

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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。