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4通道QFN封装射频GaAs 多功能MMIC

发布时间:2022-02-28 责任编辑:wenwei

【导读】用于为Ku波段卫星移动通信有源相控阵天线被用于接收和发射MMIC多功能芯片使用开发0.25 微米的p HEMT的商业方法。多功能芯片由4通道分合路组成,每个通道提供多种功能,例如6位数字相移功能,5位数字衰减功能和信号放大功能。将MMIC多功能芯片组装在尺寸为7 mm×7 mm的商用QFN封装中后,对其进行测量,该芯片的尺寸为27 mm^2(5.2 mm×5.2 mm)。


测量结果表明,多功能接收芯片在10.7至12.75 GHz频率下的增益为28 dB,噪声系数为1.6 dB。在相位控制中,在衰减控制中显示了3°的RMS相位误差和0.3 dB的RMS衰减误差。对于多功能发射芯片,在1.27 W直流功耗下,在13.75至14.5GHz处的增益为15 dB,输出功率为16.4 dBm。在相位控制中,在衰减控制中显示了2.5°的RMS相位误差和0.2 dB的RMS衰减误差。


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MMIC收发多功能芯片设计


用于卫星终端的Ku波段多功能芯片包括:接收10.7-12.75 GHz频带中的多功能芯片,以及发射13.75-14.5 GHz频带中的多功能芯片。设计的接收芯片和发射芯片的内部结构图如下图所示。


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接收芯片具有4通道RF路径,并包含4:1合路器,可将这四个输出组合为一个输出。在每个通道中,第一级均放置一个低噪声放大器以改善噪声系数并放大信号,并放置一个用于相位控制的6位移相器和一个用于增益电平控制的5位衰减器。在移相器和衰减器之间设置有用于信号放大的放大器。数字串行到并行转换器(SPC)负责将控制信号提供给移相器和衰减器。由-2.3 V偏置电压驱动的SPC接收时钟,数据和负载信号(它们是TTL控制信号),并控制移相器和衰减器,并以+5V偏置电压生成这三个信号的TTL输出。RF偏置是+2V单电源。在该设计中,偏置被确定为+1.8V,并且在考虑信号增益,噪声系数和功耗的情况下组织了测量数据。

 

发射芯片具有与接收芯片相似的结构,包括一个4通道RF路径和一个4:1的分路器,并且像接收芯片一样具有移相器,衰减器和SPC。与接收芯片不同,具有出色输出功率特性的功率放大器放置在发射芯片的末端。RF偏置是+4V单电源。在此设计中,考虑到信号增益,输出功率和功耗,偏置被确定为+3.5V。

 

数字串并转换器设计


下显示了一个44位SPC的配置图。它用于控制串行输入的44位数据中4个通道中每个通道上的6位移相器和5位衰减器。


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进入输入端的串行数据(DI)通过时钟(CI)信号从第一个D触发器(DFF)移至下一个相邻的DFF。当将根据CI信号一一移位的所有44个串行数据放置在每个DFF中时,这44个数据由负载(LI)以及移相器和衰减器。TTL型时钟输出(CO),数据输出(DO)和负载输出(LO)作为SPC输出。当将它们作为相邻多功能芯片的输入连接时,可以通过一个串行控制信号来级联控制多个多功能芯片。偏置电压为-2.3V以驱动SPC,而+5V用于TTL输出。 

 

放大器设计


多功能接收芯片(LNA)需要出色的噪声系数和高增益特性,才能改善接收天线的G/T特性。为此,在接收多功能芯片的第一阶段放置了一个低噪声放大器。下图显示了低噪声放大器的电路图。所设计的低噪声放大器是使用3级放大结构4f75 HEMT(4-手指,75微米栅宽HEMT),一个E(增强型)模式设备具有优良的噪声特性。通过使用串行反馈的噪声匹配来设计第一级的输入匹配。


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串联反馈通过在源极端子和地之间添加一个电感器来实现。电感器实现为微带线,并调整该值以找到放大器的最佳稳定性和噪声特性。应用于每级的级间匹配不是增益匹配,即匹配50欧姆阻抗,而是直接匹配第一HEMT的输出阻抗与第二HEMT的输入阻抗。用于末级匹配的并联反馈是漏极和栅极端子之间具有电感,电容器和电阻器的连接,并且调整值以找到最佳的回波损耗和增益平坦度特性。

 

发射多功能芯片(PA)需要高输出功率特性,以改善发射天线的EIRP特性。为此,将功率放大器放置在多功能发射芯片的输出端子上。下图显示了功率放大器的电路图。设计的功率放大器具有两级放大结构,其中E模式4f150 HEMT放置在输出级以实现高输出功率。使用并联反馈将输出匹配设计为增益匹配。


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多功能芯片中包含的放大器由单个偏置驱动,该偏置由E模式HEMT和有源偏置电路实现。有源偏置电路由一个FET(Q2),两个二极管(D1,D2)和两个电阻器(R2,R3)组成,电路图和器件值如下图所示。除了单个电源的优点外,这些有源偏置电路还使放大器对温度变化和过程误差不太敏感。


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6位移相器设计


使用无源开关FET模型设计了单个移相器,例如5.6°,11.2°,22.5°,45°,90°和180°。六个移相器是使用下图所示的三个基本结构设计的。


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5.6°,11.2°和22.5°移相器产生相对较小的相移值,并使用开关滤波器结构。这种结构以其芯片面积小和插入损耗小的优点而闻名。

 

45°移相器使用Bridgeed-T结构,该结构可以通过在FET处于截止状态时使用等效电容器和电感器之间的并联谐振来有效地确定相移值。

 

使用高通/损耗通过结构设计了90°和180°之类的大值移相器。包括两个SPDT开关和滤波器结构,因此可以增加芯片面积并增加插入损耗,但是由于具有降低频率变化的相位误差的优点,因此具有出色的频率特性。

 

5位衰减器设计


使用无源开关FET模型设计了各个衰减器,例如0.5 dB,1 dB,2 dB,4 dB和8 dB。使用下图所示的两个基本结构设计五个衰减器。


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使用仅由一个FET和一个电阻组成的开关结构设计了衰减值相对较小的衰减器,例如0.5 dB和1 dB。

 

2 dB,4 dB和8 dB衰减器是使用switch-T结构设计的,该结构是在开关结构中并联连接电阻和FET的结构。由于开关结构和开关T衰减器由少量元件组成,所以芯片面积小并且插入损耗小。

 

4:1合路器设计


4:1耦合器是通过连接2:1 Wilkinson耦合器的两个级而设计的。下图所示4∶1耦合器的框图和2∶1耦合器的电路。2:1耦合器采用集成元件设计,以减少芯片占用面积。组合器旨在将频带内的插入损耗和回波损耗降至最低。


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MMIC多功能芯片制造


所设计的MMIC接收多功能芯片和发射多功能芯片分别在尺寸为制造5.2×5.2mm^2使用0.25微米的GaAs的p HEMT过程商业方法。下面两图是组装在48针7×7 mm 2 QFN封装中的接收和发射芯片的显微照片。


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4通道RF输入/输出,RF in(1)至RF in(4)和RF out(1)至RF out(4),位于接收芯片的左侧和发射芯片的右侧芯片。4通道组合的RF输出/输入位于相对侧。SPC偏置和控制输入/输出与RF输出/输入位于同一侧。所有焊盘在左侧/右侧仅沿一个方向排列,因此整个垂直方向都可以用作接地平面。这可以使散热的路径变宽,从而可以促进平板天线的散热设计。当平面天线设计为线性极化时,垂直方向上布置的50欧姆短路(Term(1)至Term(4))可用于将未使用的极化端口短路50 ohm。50欧姆短路仅是通过一个50欧姆的电阻器实现的,该电阻器的水平和垂直尺寸为20 um,并具有一个反向通孔。放大器偏置在芯片中包括有源偏置电路,因此可以使用单个电源,并且可以通过侧面上的单个焊盘(RF偏置)来提供偏置。SPC输入包括三个TTL输入(数据,时钟,负载)和-2.3 V偏置。SPC输出包括三个TTL输出(数据,时钟,负载)和一个+ 5V偏置。如果TTL输出连接到相邻芯片的SPC输入。


下图是用于测试接收多功能芯片的测试夹具和48引脚QFN封装的照片。发射多功能芯片的测试夹具具有相同的形状,仅输入和输出变更。测试夹具的RF输入/输出使用连接器完成,而8针连接器用于控制信号和DC偏置电源。出于相同的目的,放大器偏置线使用了诸如100 pF,10 nF和1 uF的电容器来旁路不需要的AC信号,而SPC偏置线则使用了10nF电容器。当对SPC偏置施加-2.3 V时,测得的电流为66 mA,对于TTL输出,在+5 V电压下测得的电流为2 mA或更小。RF放大器偏置的增益,噪声系数,输出功率和电流消耗特性会随所施加的电压而变化。对于接收芯片,可以通过考虑所需的增益水平和噪声系数来确定最佳偏置。该接收芯片的最佳偏置为+1.8 V,测得的电流为330 mA。此时,包括SPC功率在内的接收芯片功耗被计算为0.74W。对于传输芯片,可以考虑所需的输出功率和增益水平来确定最佳偏置。该传输芯片的最佳偏置为+3.5 V,测量的电流为322 mA。


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测试图如下所示


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结论


利用GaAs工艺开发了一种可用于Ku波段卫星移动通信的有源相控阵天线的收发MMIC 4通道多功能芯片。为了降低平板天线的组装成本,设计了一种芯片以应用于商用QFN封装。在一个48针7×7 mm^2QFN封装中集成了一个包含6位移相器和5位衰减器的4通道多功能芯片,并验证了输出的传输多功能芯片。通过调整偏置,可以测量高达19 dBm的发射芯片的最大发射功率。预计开发的MMIC接收和发射多功能芯片将适用于以扁平有源相控阵天线的卫星通信终端。


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