Недорогой усилитель мощности MMIC мощностью 1 ватт Ku-диапазона в пластиковом корпусе QFN 4х4 мм. Часть 2
Усилитель (Рис.2) состоит из четырех устройств с шириной затвора 0,8мм, управляется тремя последовательными каскадами с обычным соотношением ширины затвора 2:1. При размере кристалла всего 2,4 х 1,25 мм² (= 3,0 мм²) это наименьшая заявленная площадь для 31 дБм 4-каскадного MMIC Ku-диапазона, по нашим сведениям. Этот очень компактный размер чипа для 4-каскадного HPA MMIC стал возможен благодаря следующим ключевым методам проектирования: компактные топологии согласования были синтезированы до оптимизации схемы. Основываясь на оптимальной передаче мощности и загрузке линии для всех ступеней, были выработаны надежные методы проектирования и компоновки для оптимизации мощности, усиления и пропускной способности. Согласующие схемы (ввод, промежуточная, вывод) были реализованы с использованием емкостных линий передачи MIM, что дало гибкое согласование импеданса и уменьшение размеров.
Кроме того, были применены заглушки MIM для отверстий и агрессивное использование спиральных и меандровых линий на основе ЭМ. Стабильность этого HPA была оценена с помощью анализа К-фактора вместе с большими сопутствующими конденсаторами на чипе, для предотвращения низкочастотных, параметрических и нечетных колебаний использовалась резистивная нагрузка. Ключевые характеристики корпусированного MMIC приведены в Таблице 1.
HPA MMIC монтируется на 4х4мм QFN выводной рамке и покрывается термальным эпоксидным клеем с серебряным покрытием. Использование надлежащих размеров флажка кристалла относительно размера MMIC и коротких двойных соединительных проводов минимизирует потери и паразитные эффекты. Чтобы обеспечить низкочастотную стабильность HPA MMIC в корпус установлены дополнительные 100-пФ развязывающие конденсаторы, которые затем подключаются к выводам смещения постоянного тока.
Тепловое управление корпусированного HPA MMIC играет важную роль, чтобы обеспечить надежность и продолжительность жизни продукта. Термальный анализ с использованием замкнутых форм, полученных в процессе определения характеристик под воздействием температуры, а также проведение теплового моделирования конечных элементов продемонстрировали, что в худшем варианте условий при температуре +80 °C на базовой пластине с или без РЧ приводом пиковая температура канала поддерживается ниже 175 °C. Полный график инфракрасных тепловых измерений будет представлен в полном варианте данной статьи.
Измерения проводились при комнатной температуре 25 градусов, если не указано иное. Рис.7 показывает S-параметры корпусированного HPA, измеренные с помощью векторного анализатора цепей HP8722. При Vd=6.5 В и общем токе смещения в покое Idq=800 мА, коэффициент усиления (S21) превышает 30 дБ в диапазоне от 13 до 15 ГГц (33,5 максимум при 14 ГГц). В этой полосе частоты корпусированный усилитель демонстрирует хорошие возвратные потери на входе и выходе, обычно значительно ниже – 10 дБ.
Также корпусированные HPA были охарактеризованы при работе с большими сигналами, как на основе синтезированного измерения скалярной мощности, так и с помощью системы измерения нагрузки Мори. Рис.9 показывает выходную мощность при насыщении как функцию частот при непрерывном возбуждении волны: при Vd=6.5 В и общем токе 800, насыщенная выходная мощность более 31 дБм в диапазоне 13.75-14.5 ГГц.
VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В данной статье были представлены характеристики сверхкомпактного 1-ваттного MMIC усилителя мощности Ku-диапазона с высоким коэффициентом усиления, упакованного в экономичный пластиковый QFN корпус для поверхностного монтажа 4х4 мм. Впервые для такого типа корпуса в Ku диапазоне было достигнуто усиление 33 дБ с уровнями насыщенной мощности 32 дБм, при этом деталь показывала безусловную стабильность до температуры –40 oC. Использование QFN корпусов в сочетании с очень малой площадью кристалла с использованием оптической шагового процесса 0.3 мкм дает серьезное снижение затрат на VSAT HPA Ku-диапазона.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор благодарит за помощь и поддержку команды проектировщиков и работников производства компаний Celeritek Великобритания и Celeritek Inc, Санта Клара, США.
ССЫЛКИ
[1] A. Bessemoulin1, M. Parisot1, P. Quentin1, C. Saboureau, M. van Heijningen, J. Priday, “A 1-Watt Ku-band Power Amplifier MMIC using Cost-effective Organic SMD Package”, Proc 34th EuMC, ., pp. 349-352, Amsterdam 2004.
[2] Celeritek product datasheet CMM1431-SM, www.celeritek.com
[3] A. Bessemoulin, M. Parisot, M. Camiade, “1-Watt Kuband Power Amplifier MMICs using Low-cost Quad-Flat Plastic Package”, in IEEE Int. Microwave Symposium Dig., pp. 473-476, Fort Worth, TX-USA. June 2004.
