應用于Ka波段無線通信的發(fā)射前端模塊設計與制造

陳守維++王啟東++陳誠++李君++汪鑫++曹立強++陸原

摘 要： 介紹一種應用于Ka波段無線通信的發(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、功率放大器構成。射頻（RF）信號工作在27.4～28 GHz頻段內(nèi)，中頻信號固定在1 GHz。仿真結果顯示，在工作頻段內(nèi)發(fā)射前端增益超過10 dB，發(fā)射功率為11.823 dBm，并且交調信號被抑制在63 dBc以下。在全部芯片工作的條件下，溫度仿真結果顯示芯片的結溫低于64 ℃。測試結果顯示，在工作頻段內(nèi)輸出端信號線插入損耗低于0.34 dB，回波損耗小于-20 dB，VCO的8分頻輸出功率是-10.66 dBm。

關鍵詞： 發(fā)射前端； 溫度； Ka波段； 射頻信號

中圖分類號： TN828?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，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，點對多的通信、衛(wèi)星通信、成像系統(tǒng)，因此毫米波是將來為無線通信服務和雷達應用最具潛力的頻段[1?5]。發(fā)射前端是無線通信系統(tǒng)核心部件之一，它的成本直接影響通信系統(tǒng)的架構，因此，設計具有高集成度、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)溫度管理帶來巨大的挑戰(zhàn)。低溫共燒陶瓷（LTCC）是解決高集成封裝技術和減少發(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結構，這種結構適用于高集成度的準毫米波系統(tǒng)，使用該結構設計了一款Ka波段的發(fā)射前端模塊，并對相關電路進行設計，給出了仿真和測試結果。該模塊具有加工調試方便、工作穩(wěn)定、性能良好等特點。

1 Ka波段發(fā)射前端

1.1 系統(tǒng)指標計算與仿真

發(fā)射模塊是將基帶信號變頻到射頻信號，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)射機的重要指標。發(fā)射功率的設定和天線輻射范圍及通信距離、調制方式、最小信噪比、工作環(huán)境等有關。發(fā)射功率太小達不到最低信噪比的要求，功率太大將對相鄰信道造成干擾，發(fā)射機元器件的非線性原因會產(chǎn)生很多諧波成分，鄰道抑制是對諧波要求的指標，要求諧波功率小于有用信道功率的一定值。endprint

圖1為發(fā)射前端的設計原理圖。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信號由壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生，通過倍頻器倍頻，最終到達混頻器的LO端口與IF信號進行混頻。IF信號則通過Aglient矢量信號源產(chǎn)生。LO信號與IF信號通過混頻器混頻，得到射頻信號（RF），經(jīng)過濾波器、功率放大器到達頻譜儀。

為驗證鏈路預算的合理性，采用諧波平衡的分析方法在ADS 中進行發(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無源混頻器和GaAs PHEMT有源功率放大器 ，根據(jù)廠商給的測試數(shù)據(jù)，導入仿真原理圖中，并考慮各級之間存在的損耗，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，得到射頻信號輸出功率的頻譜如圖3所示，從結果可以看出，28 GHz的發(fā)射功率大于11 dBm，[m2]是-52.422 dBm，與有用信號相比，其諧波抑制大于63 dBc，且本振信號也被抑制小于-24 dBm，滿足系統(tǒng)要求。

1.2 PCB疊層設計

PCB是電子產(chǎn)品的基礎，從計算機、便攜式電子設備等幾乎所有的電子產(chǎn)品中都有電路板的存在。隨著通信技術的發(fā)展，無線射頻電路技術運用越來越廣，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，要設計一個完美的射頻電路的PCB，以防止并抑制電磁干擾從而提高電磁兼容，讓系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)，讓無源器件的損耗降到最低。因此PCB疊層對射頻系統(tǒng)的設計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)的是使用這種結構實現(xiàn)的發(fā)射前端實物圖。頂層和第二層，第三層與第四層之間的介質是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，挖通槽用來放MMIC芯片，芯片與外部電路連接是通過邦定線，底部用銅基作為襯底。中間層與頂層之間的互連是通過金屬孔。

系統(tǒng)的電源層設計在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。一個完整的電源網(wǎng)絡（PDN）能夠抑制噪聲，例如，開關轉換瞬態(tài)噪聲（SSN）。

2 系統(tǒng)熱管理

一個高集成度的射頻系統(tǒng)，因為其體積小，功率密度迅速增加，溫度會急劇增高，又因為溫度對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，快速驅散熱量是系統(tǒng)非常大的一個挑戰(zhàn)，在這部分設計了兩種PCB版圖：一種是挖臺階槽；另一種是挖通槽。使用Ansys Icepak來評估熱驅散的能力，仿真溫度是設置在自然條件下的20 ℃。芯片的總功率是1.702 W，其他芯片是無源的，功耗可以忽略，芯片的各個參數(shù)見表1。圖5（a）呈現(xiàn)的是挖臺階槽的仿真結果，從結果可以看到，熱量集中在芯片上，不能很快地傳導到基板上，而此時的芯片結溫高于81 ℃，這已經(jīng)超過芯片最高結溫的要求，因此很可能導致芯片無法工作，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出來，整個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 ℃，正符合設計要求，整體設計如圖6所示，通過使用高效的散熱方法，如加散熱片和銅基板，達到了良好的散熱效果。

3 測 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，其測試結果見圖7。

從結果可知，8分頻輸出口為1.666 3 GHz時，輸出功率為-10.66 dBm，與廠商給出的數(shù)據(jù)相差3 dB，因為測試時有傳輸線損耗，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)達到了廠商給的參數(shù)指標。

輸出端關鍵信號線的[S]參數(shù)測試結果如圖8所示，可以看到，在28 GHz時，插入損耗小于0.34 dB，回波損耗小于-20 dB，滿足設計要求。

4 結 論

本文針對Ka波段設計了一款準毫米波射頻發(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。中頻輸入信號固定在1 GHz，LO在13.2～13.5 GHz，經(jīng)過倍頻后，所得LO為26.4～27 GHz，射頻輸出信號為27.4～28 GHz，發(fā)射功率達到11.86 dBm，射頻輸出信號端的傳輸線的插入損耗低于0.34 dB，回波損耗低于-20 dB，熱仿真顯示芯片結溫都在64 ℃以下，具有很強的應用價值。

參考文獻

[1] LI Guiping， XU Jun， LUO Shendu， et al. A Ka?band T/R front?end for phased array radar [C]// Proceedings of 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Chengdu， China： IEEE， 2010： 1001?1004.

[2] LIN K， WANG Y E， PAO C K， et al. A Ka?band FMCW radar front?end with adaptive leakage cancellation [J]. IEEE tran?sactions on microwave theory and techniques， 2006， 54（12）： 4041?4048.endprint

[3] TOKUMITSU T. K?band and millimeter?wave MMICs for emerging commercial wireless applications [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2001， 49（11）： 2066?2072.

[4] HE Fanfan， WU Ke， HONG Wei， et al. Low?cost 60 GHz smart antenna receiver subsystem based on substrate integrated waveguide technology [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2012， 60（4）： 1156?1165.

[5] GRUBINGER H， BARTH H， VAHLDIECK R. An active low?noise receiver with electronic beamforming capability at Ka?band frequencies [J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques， 2008， 56（5）： 1013?1023.

[6] BUTZ J， SPINNLER M， CHRIST J， et al. Highly integrated RF?modules for Ka?band multiple?beam active phased array antennas [C]// Proceedings of 2002 IEEE Microwave Symposium Digest. Seattle， WA， USA： IEEE， 2002： 61?64.

[7] GAUTHIER G， BERTINET J P， SCHROTH J. Low?cost Ka?band transmitter for VSAT applications [C]// Proceedings of 2006 IEEE MTT?S International Microwave Symposium Digest. San Francisco， CA： IEEE， 2006： 1398?1401.

[8] ZHANG S Z， CUI Y B， GUAN Y J. A Ka band transceiver using LTCC technology [C]// Proceedings of 2007 International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. Hangzhou， China： IEEE， 2007： 305?308.

[9] XU Z Q， XIA H， WANG P， et al. LTCC cavity filter for MMW transceiver module application [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Computational Problem?Solving. Chengdu， China： IEEE， 2011： 627?630.

[10] CHIN K S， CHANG C C， CHEN C H， et al. LTCC multilayered substrate?integrated waveguide filter with enhanced frequency selectivity for system?in?package applications [J]. IEEE transactions on components， packaging and manufacturing technology， 2013， 4（4）： 664?672.endprint