微波集成電路 課件 第五章 微波混合集成電路

第五章微波混合集成電路5.1概述5.2微帶混合集成晶體管放大器5.3微波振蕩器5.4微波混頻器5.5微波倍頻器5.6微帶混合集成技術(shù)5.1概述微波混合集成電路：以絕緣介質(zhì)基片為襯底，采用薄膜或厚膜工藝制作出分布參數(shù)傳輸線、無源元件，再將具有單獨(dú)封裝的微波固體器件或?qū)⑽捶庋b的微波裸芯片以適當(dāng)方式裝配到電路中，實(shí)現(xiàn)具有完整的電路或系統(tǒng)功能的集成電路形式。（與波導(dǎo)、同軸等立體電路相比較）微波混合集成電路的優(yōu)點(diǎn)：（2）電路性能顯著提升電路結(jié)構(gòu)是以高介電常數(shù)、薄厚度基片為襯底的平面電路（1）電路體積小，重量輕，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化固態(tài)有源器件的引入，使得微波混合集成電路可實(shí)現(xiàn)幾乎所有微波信號(hào)處理的功能；分布參數(shù)無源電路采用半導(dǎo)體工藝的制版和光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn),加工精度高；微帶電路半開放的電路結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行精確地微調(diào)和測(cè)試固態(tài)有源器件為微電子器件，器件壽命長無源電路是在介質(zhì)基片上一次制作完成，消除了許多連接接頭（3）電路可靠性顯著提升（4）成本低無需精密的機(jī)械加工；加工制作重復(fù)性好，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)5.1概述（與波導(dǎo)、同軸等立體電路相比較）微波混合集成電路的缺點(diǎn)：（2）電路輸出功率低，功率容量低（1）電路損耗大，Q值低，高Q值性能需采取特殊電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固態(tài)功率器件輸出能力低于真空電子器件——近年來新型固態(tài)高功率器件有所突破（GaN器件），但在較高頻率處還是受限電路體積小，熱量集中，散熱困難；較大的電路損耗進(jìn)一步增加了散熱負(fù)擔(dān)，消減了功率容量5.2微帶混合集成晶體管放大器概述

放大——把微弱的電信號(hào)的幅度放大。一個(gè)微弱的電信號(hào)通過放大器后，輸出電壓或電流的幅度得到了放大，但它隨時(shí)間變化的規(guī)律不能變，即不失真。概述常用的微波放大器放大器主要技術(shù)參數(shù)1.增益（Gain）

對(duì)信號(hào)幅度放大能力2.噪聲系數(shù)NF

放大器對(duì)信噪比的惡化3.輸入/出反射系數(shù)

放大器與系統(tǒng)阻抗的匹配關(guān)系4.輸出功率1dB壓縮點(diǎn)

放大器線性功率輸出能力5.飽和輸出功率

放大器功率輸出能力6.效率PAEDC-RF功率轉(zhuǎn)換能力7.三階互調(diào)抑制度/三階互調(diào)交叉點(diǎn)概述微帶混合集成晶體管放大器的構(gòu)成微波晶體管

封裝裸管芯匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配輸出匹配DC偏置網(wǎng)絡(luò)器件參數(shù)（S參數(shù)）匹配電路設(shè)計(jì):最大增益最小噪聲DC偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)概述晶體管器件的S參數(shù)

用S參數(shù)表征晶體管特性優(yōu)勢(shì)明顯

5.2.1微波晶體管放大器理論其他參量（如y、h參量）大都表征網(wǎng)絡(luò)在開、短路狀態(tài)下電壓、電流關(guān)系；晶體管在開、短路狀態(tài)易于發(fā)生振蕩，不能得到合適的放大狀態(tài)電路參量；S參量的確定無需理想開短路要求，適合于分布參數(shù)電路系統(tǒng)；S參數(shù)是基于入射波和反射波的概念建立的，和實(shí)際器件工作狀態(tài)一致

晶體管S參數(shù)定義

端口電壓與端口電流用入射波和反射波表示：引入歸一化波的概念：晶體管器件的S參數(shù)各端口入射波和反射波功率可簡單表達(dá)：

晶體管S參數(shù)定義

晶體管器件的S參數(shù)反射系數(shù)傳輸系數(shù)晶體管S參數(shù)與Zc1和Zc2有關(guān)，對(duì)不同特性阻抗的測(cè)量系統(tǒng)，得到的S參數(shù)不同；Zc1和Zc2稱為測(cè)量S參數(shù)的系統(tǒng)阻抗，一般為：

Zc1=Zc2=50Ω單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析

a1a2b1b2a1a2b1b2簡化網(wǎng)絡(luò)：5.2.1微波晶體管放大器理論各端口反射系數(shù)

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析源反射系數(shù)負(fù)載射系數(shù)輸入反射系數(shù)輸出反射系數(shù)各端口反射系數(shù)決定了放大器各種匹配狀態(tài)——工作狀態(tài)各端口反射系數(shù)表達(dá)

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析端口1加激勵(lì)信號(hào)源as

,端口2僅接負(fù)載端口2加激勵(lì)信號(hào)源aL

,端口1僅接負(fù)載各端口功率

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析V1I1放大器輸入端加激勵(lì)源時(shí)，其中，于是，其中，進(jìn)入晶體管輸入端功率于是，各端口功率

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析b1a1定義信號(hào)源歸一化波：當(dāng)Zs=Zc時(shí)，，有：進(jìn)入晶體管輸入端功率

得：或：各端口功率

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析V1I1進(jìn)入晶體管的功率為:P1a為信號(hào)源資用功率

傳輸給負(fù)載的功率

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)于負(fù)載來說，晶體管輸出信號(hào)可由等效源表示傳輸給負(fù)載的功率

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析P2a為放大器資用功率

增益

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（a）工作功率增益GP為放大器實(shí)際工作中功率增益的量度GP與晶體管S參數(shù)和負(fù)載

L有關(guān)增益

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（b）資用功率增益Ga為放大器兩個(gè)端口共軛匹配時(shí)產(chǎn)生的功率增益Ga與晶體管S參數(shù)和源

S有關(guān)增益

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（c）轉(zhuǎn)換功率增益Gt為放大器實(shí)際傳送到負(fù)載的功率與信號(hào)源資用功率之比Gt與晶體管S參數(shù)，源

S，負(fù)載

L有關(guān)在一般情況下:穩(wěn)定性

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（一）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性定義設(shè)網(wǎng)絡(luò)某一端口的輸入阻抗是Z=R+jX該端口對(duì)實(shí)數(shù)參考阻抗Zc的反射系數(shù)為：當(dāng)R>0時(shí)，||＜1，稱該端口絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)R＜0時(shí)，|

|＞1，稱該端口不穩(wěn)定。只要網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)端口不穩(wěn)定，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都不穩(wěn)定；判定穩(wěn)定性可由網(wǎng)絡(luò)端口的輸入阻抗是否存在負(fù)阻來確定穩(wěn)定性

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（二）晶體管穩(wěn)定性晶體管放大器絕對(duì)穩(wěn)定是指可選用任何實(shí)數(shù)源阻抗/負(fù)載阻抗|

S|≤1，|

L|≤1，晶體管放大器絕對(duì)穩(wěn)定的充要條件是Ks為放大器的穩(wěn)定系數(shù)：晶體管放大器端口輸入輸出駐波小，穩(wěn)定性就高|

1|≤1，|

2|≤1，穩(wěn)定性

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析晶體管放大器在不穩(wěn)定條件下對(duì)源阻抗、負(fù)載阻抗的選擇:(1)晶體管放大器輸入端口不穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)源再次反射進(jìn)入晶體管的入射波為:a’1(2)晶體管放大器輸出端口不穩(wěn)定時(shí)，噪聲系數(shù)

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析微波晶體管放大器噪聲來源:1.熱噪聲:由載流子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起，又稱Johnson噪聲，與器件的歐姆電阻有關(guān)熱噪聲功率：

熱噪聲電壓：可用電阻R產(chǎn)生的噪聲電壓在工作頻帶內(nèi)表示噪聲系數(shù)

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析微波晶體管放大器噪聲來源:2.散彈噪聲：半導(dǎo)體PN結(jié)（肖特基結(jié)）內(nèi)載流子隨機(jī)發(fā)射與擴(kuò)散，空穴電子（正負(fù)載流子）對(duì)的隨機(jī)產(chǎn)生與組合，噪聲電流幅度呈高斯分布，有效值為：

3.1/f噪聲：又稱接觸噪聲，兩導(dǎo)體間接觸電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起。4.爆裂噪聲（burst）：半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)（通常為金屬雜質(zhì)）隨機(jī)發(fā)射或俘獲載流子引起，出現(xiàn)爆裂脈沖噪聲改善工藝噪聲系數(shù)

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析放大器輸入噪聲功率可等效為信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲功率：微波晶體管放大器輸出噪聲是放大器輸入噪聲功率和放大器自身產(chǎn)生的噪聲的組合：Te為放大器等效噪聲溫度噪聲系數(shù)定義:信號(hào)通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)放大器自身產(chǎn)生的噪聲常用等效噪聲溫度Te來表達(dá)。噪聲溫度Te與噪聲系數(shù)NF的關(guān)系NF(dB)0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0NF1.0231.0471.0721.0961.1221.1481.1751.2021.2301.259Te(K)6.82513.8120.9628.2735.7543.4151.2459.2667.4775.87NF(dB)1.52.02.53.03.54.04.55.06.010NF1.4131.5851.7781.9952.2392.5122.8183.1623.98110.00Te(K)120.9171.3228.1291.6362.9442.9532.8633.5873.52637根據(jù)公式，可以計(jì)算出常用的噪聲系數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的噪聲溫度，如表所示。噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析（環(huán)境溫度T0=300K）：

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)表達(dá)為：低噪聲放大器前級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)占絕對(duì)因素

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析晶體管最小噪聲系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式表明，隨著工作頻率增加，微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有比微波雙極晶體管更優(yōu)良的噪聲系數(shù)晶體管等效為線性二端口網(wǎng)絡(luò)，放大器噪聲系數(shù)表達(dá)為：Rn線性二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲阻抗;Ys=Gs+jBs信號(hào)源內(nèi)阻Ysopt=Gsopt+jBsopt獲得最佳噪聲系數(shù)NFmin時(shí)的源導(dǎo)納

單級(jí)放大器網(wǎng)絡(luò)分析晶體管最小噪聲系數(shù)晶體管等效為線性二端口網(wǎng)絡(luò)，放大器噪聲系數(shù)還可表達(dá)為：線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)完全由可測(cè)量的三個(gè)參數(shù)決定：Nfmin、N(或N’)和

sopt

微波晶體管放大器設(shè)計(jì)晶體管放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)微波晶體管放大器設(shè)計(jì)的主要工作是得到合適的輸入、級(jí)間、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)微波晶體管的輸入端口與信號(hào)源之間的匹配；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)微波晶體管的輸出端口與負(fù)載之間的匹配；級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)前后級(jí)微波晶體管的輸出端口與輸入端口的匹配；獲取最佳功率增益、最佳噪聲系數(shù)、最佳增益平坦度

1

S

2

L5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

微波晶體管放大器設(shè)計(jì)微帶集成匹配網(wǎng)絡(luò)（a）并聯(lián)型匹配網(wǎng)絡(luò)主要用于滿足微波低端、窄帶需求(T型結(jié)的影響）并聯(lián)枝節(jié)可以是終端開路也可以是終端短路；根據(jù)電納補(bǔ)償要求和結(jié)構(gòu)需要來決定并聯(lián)枝節(jié)的開、短路情況，并聯(lián)枝節(jié)的阻抗和長度；根據(jù)電導(dǎo)匹配要求，決定串聯(lián)線阻抗和長度（一般為

g/4）5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

匹配網(wǎng)絡(luò)類型多級(jí)級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)寬帶匹配（b）串聯(lián)型匹配網(wǎng)絡(luò)串接短線實(shí)現(xiàn)復(fù)阻抗-實(shí)阻抗的變換

g/4線實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)阻抗的變換可用于較高頻率5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

微波晶體管放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)穩(wěn)定性是放大器設(shè)計(jì)的前提分別選取合適的源、負(fù)載阻抗，使得放大器輸出端、輸入端穩(wěn)定在晶體管不穩(wěn)定的情況下，可采用有耗網(wǎng)絡(luò)改善放大器的穩(wěn)定性。匹配網(wǎng)絡(luò)選擇最小噪聲匹配：

s=

sopt最大功率增益匹配：

s=

1*輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)最大功率增益匹配：

L=

2*級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)按要求實(shí)現(xiàn)后級(jí)輸入阻抗與前級(jí)輸出阻抗之間的匹配，并實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的隔直增益平坦度和端口駐波比5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

絕對(duì)穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L單向情況下（S12=0）的設(shè)計(jì)步驟：（2）當(dāng)S12=0時(shí)，（1）判定器件穩(wěn)定性（3）設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：（4）設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

絕對(duì)穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L雙向情況下（S12≠0）的設(shè)計(jì)步驟：（2）當(dāng)S12≠0時(shí)，(一)按最小噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：（3）設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

絕對(duì)穩(wěn)定情況下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L雙向情況下（S12≠0）的設(shè)計(jì)步驟：（二）按最大功率增益設(shè)計(jì)（1）按共軛匹配要求得到輸入/出匹配網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)：（2）設(shè)計(jì)輸入/出匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)

S0與

SM、

LM與

L0之間的匹配5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L

S和

L的選擇受放大器穩(wěn)定性限制：（2）設(shè)計(jì)放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要保證放大器輸入口穩(wěn)定：在

L平面上穩(wěn)定區(qū)選取

L；（3）設(shè)計(jì)放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要保證放大器輸出口穩(wěn)定：在

S平面上穩(wěn)定區(qū)選取

S；（1）保證增益要求和噪聲系數(shù)要求:

G≥GMin;NF≤NFMax5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L保證功率增益GP≥GMin的設(shè)計(jì)步驟（1）選擇晶體管輸入口穩(wěn)定且保證增益的

L：（3）判定晶體管輸出端穩(wěn)定性（2）確定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

S：（4）

潛在不穩(wěn)定條件下的設(shè)計(jì)

1

S

2

L保證噪聲系數(shù)NF≤NFMax的設(shè)計(jì)步驟（1）選擇晶體管輸出口穩(wěn)定且保證噪聲的

S：（3）判定晶體管輸入端穩(wěn)定性（2）確定輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

L：（4）

多級(jí)放大器設(shè)計(jì)多級(jí)放大設(shè)計(jì)簡便，設(shè)計(jì)效率高，可任意增加級(jí)數(shù)（適合n≥3）但結(jié)構(gòu)松散模塊化設(shè)計(jì)方案每一級(jí)單獨(dú)設(shè)計(jì)，級(jí)間由50Ω線連接一體化設(shè)計(jì)方案不便任意增加級(jí)數(shù)（適合n≤3）結(jié)構(gòu)緊湊每一級(jí)放大器不是單獨(dú)設(shè)計(jì)，前后級(jí)晶體管匹配和級(jí)聯(lián)由同一級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

合理選取匹配網(wǎng)絡(luò)，得到寬帶響應(yīng)：帶寬和帶內(nèi)頻響（平坦度）在頻帶高端按共軛匹配設(shè)計(jì)；頻率低端因失配使放大器增益降低增強(qiáng)穩(wěn)定性在晶體管器件端口串、并聯(lián)電阻，按新的[S]參數(shù)設(shè)計(jì)。晶體管|S21|2隨頻率增加而下降；采用阻性匹配網(wǎng)絡(luò)增加穩(wěn)定性；5.2.2微波晶體管放大器設(shè)計(jì)

微波寬帶放大器平衡式放大器反饋式放大器有源匹配放大器分布式放大器5.2微帶混合集成晶體管放大器

微波寬帶放大器平衡式放大器由90°電橋?qū)崿F(xiàn)兩路放大器合成輸出；放大器電橋兩路放大信號(hào)同相疊加，輸出功率倍增在輸入/出口兩路反射波反相抵消，可實(shí)現(xiàn)良好的輸入、輸出駐波比要求兩路信號(hào)具有良好的一致性

微波寬帶放大器反饋式放大器在晶體管漏柵之間并接RL串聯(lián)支路，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋降低器件低端增益，實(shí)現(xiàn)多倍頻程放大增強(qiáng)穩(wěn)定性僅適應(yīng)于低頻放大器

微波寬帶放大器有源匹配放大器匹配網(wǎng)絡(luò)中采用有源器件，實(shí)現(xiàn)大阻抗變換比的寬帶匹配電路復(fù)雜，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度大多用于10GHz以上頻率MMIC放大器中

微波寬帶放大器分布式放大器由晶體管輸入/輸出電容，輸入/輸出電阻以及級(jí)間連接線構(gòu)成分布式有損人工傳輸線：輸入線和輸出線。電磁波以行波方式分別在輸入線和輸出線上傳播，并同時(shí)得以逐級(jí)放大——超寬帶行波放大各級(jí)精確的相位和幅度控制，電路工藝和一致性要求高——MMIC放大器

微波寬帶放大器分布式放大器DC-60GHzmonolithicMMHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]5.6微帶混合集成技術(shù)微帶電路是微波集成電路的主要形式（3）微帶電路半開放結(jié)構(gòu)，便于電路、器件安裝和調(diào)試（1）微帶線準(zhǔn)TEM波場(chǎng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)寬帶微波信號(hào)傳輸（2）微帶電路由支撐于基片襯底表面的金屬條帶形成電路圖形，便于采用半導(dǎo)體工藝的制版和光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無源集成電路和有源集成體電路5.6微帶混合集成技術(shù)5.6.1微帶集成電路工藝基片處理研磨拋光鍍膜金屬層減薄版圖制作圖形放大照相制版光刻腐蝕甩膠曝光腐蝕接地/電鍍接地金屬化電鍍防護(hù)薄膜工藝流程5.6微帶混合集成技術(shù)SMT元件裝配表面貼裝技術(shù)SMT（SurfaceMountTechnology）表面貼裝元器件：無引腳或短引腳元器件：

表面貼裝元件（SMC）：片式電容、電阻、電感等表面貼裝器件（SMD）

5.6.1微帶集成電路工藝5.6微帶混合集成技術(shù)SMT元件裝配主要采取回流焊/再流焊（Reflow）5.6.1微帶集成電路工藝回流焊工藝流程：印刷:將焊膏（錫膏）印刷到PCB焊盤上貼片：將SMT元件安裝到PCB上焊接：將焊膏融化，使SMT器件與PCB焊盤牢固接在一起回流焊機(jī)ReflowOven5.6微帶混合集成技術(shù)裸芯片裝配元件焊接——(金)絲壓焊Wirebond芯片貼裝引線鍵合互聯(lián)5.6.1微帶集成電路工藝wireanddiebonder(USAWest.Bond)5.6微帶混合集成技術(shù)屏蔽盒體5.6.2微帶集成電路結(jié)構(gòu)相關(guān)問題作用：(1）電磁屏蔽，避免輻射損耗，消除外界電磁干擾；(2）機(jī)械保護(hù)，將電路固定在金屬腔內(nèi)，防止因振動(dòng)等原因引起碰撞；（3）環(huán)境保護(hù)，由于電路由金屬腔密封封裝，就有效的避免了外界汽液塵等對(duì)電路的影響。(4)散熱通道5.6微帶混合集成技術(shù)屏蔽盒體5.6.2微帶集成電路結(jié)構(gòu)相關(guān)問題設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）避免屏蔽盒體對(duì)傳輸線場(chǎng)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)：（2）避免屏蔽盒腔體諧振效應(yīng)a1≥2h,一般取a1~4hb≥5h，一般取b~10h屏蔽盒腔體實(shí)際上是部分填充介質(zhì)的諧振腔體（多為矩形），設(shè)計(jì)時(shí)避免諧振頻率落入工作頻帶內(nèi)。5.6微帶混合集成技術(shù)微帶-同軸連接5.6.2微帶集成電路結(jié)構(gòu)相關(guān)問題同軸線同軸線是微波系統(tǒng)主要的傳輸連接線同軸線是微波測(cè)量系統(tǒng)主要的傳輸連接線微波集成電路模塊接口需滿足應(yīng)用系統(tǒng)連接、測(cè)試系統(tǒng)連接要求微帶-同軸連接器微帶-同軸連接同軸及同軸連接器簡介同軸線用于傳輸微波射頻信號(hào)，其傳輸頻率范圍很寬，可達(dá)18GHz或更高，主要用于雷達(dá)、通信、數(shù)據(jù)傳輸及航空航天設(shè)備。同軸連接器基本結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)導(dǎo)體（陽性或陰性接觸件）；內(nèi)導(dǎo)體外的介電材料，或稱為絕緣體；外導(dǎo)體同軸連接器主要有：SMA、SMB、BNC、TNC、SMC、N型、BMA等。

微帶-同軸連接同軸連接器連接型式螺紋式卡口式推入式推入自鎖式滑入連接式微帶-同軸連接常見同軸連接器極性分類微帶-同軸連接常用微波毫米波同軸連接器微帶-同軸連接技術(shù)要求（1）通帶寬度；（2）帶內(nèi)駐波；（3）帶內(nèi)插損；（4）機(jī)械性能同軸-微帶連接連接方式垂直連接平行連接微帶-波導(dǎo)連接概述波導(dǎo)是大功率、極高頻率系統(tǒng)主要的傳輸連接線之一波導(dǎo)是毫米波測(cè)量系統(tǒng)主要的主要連接線微波集成電路模塊接口需滿足應(yīng)用系統(tǒng)連接、測(cè)試系統(tǒng)連接要求5.6.2微帶集成電路結(jié)構(gòu)相關(guān)問題微帶-波導(dǎo)連接技術(shù)要求（1）通帶寬度；（2）帶內(nèi)駐波；（3）帶內(nèi)插損；（4）機(jī)械性能波導(dǎo)-微帶過渡轉(zhuǎn)換常見連接方式E-面探針耦合鰭線過渡連接脊波導(dǎo)過渡連接5.7.1概述5.7.2LTCC工藝和技術(shù)5.7.3微波LTCC電路設(shè)計(jì)5.7.4微波毫米波LTCC系統(tǒng)應(yīng)用第五章微波混合集成電路5.7微波多芯片組件MCM5.7.1概述多芯片組件（Multi-ChipModule）技術(shù)多芯片組件（MCM）：將多個(gè)裸芯片、微型封裝元器件、貼片元器件集成在同一塊多層高密度互連基板上,并封裝在同一外殼內(nèi)，構(gòu)成具有一定部件或系統(tǒng)功能的高密度微電子組件。5.7.1概述MCM基本構(gòu)成：(1)電路/系統(tǒng)小型化，輕重量：MCM特點(diǎn)：MCM中，無源電路制作在多層互連基板中，形成3-D多層高密度集成無源電路結(jié)構(gòu)；將多個(gè)IC裸芯片、片式或微型封裝元器件集成在同一多層互連基板上，封裝在同一外殼內(nèi)的電路/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；元器件組裝密度高，芯片面積與基板面積之比可在20%以上，同一功能的部件，重量可減輕80%～90%5.7.1概述(2)電路/系統(tǒng)性能在同一封裝內(nèi)可集成模擬、數(shù)字電路，功率、光電、微波器件及各類片式元器件，可實(shí)現(xiàn)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)功能;各種無源電路一體化設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)連接接口，具有綜合性能更優(yōu)良；各功能電路單元互連線長度短，信號(hào)傳輸延時(shí)小，傳輸速度可大幅提升，可滿足高速電路需求；MCM特點(diǎn)：(3)可靠性提升MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問題；MCM為一體封裝結(jié)構(gòu)，電路組裝層次，可靠性高5.7.1概述MCM分類MCM-L（Laminate）：疊層MCM，使用傳統(tǒng)PCB工藝和材料制造高密度疊層基板的MCM與PCB技術(shù)的根本區(qū)別在于:(1)安裝裸芯片、微封裝/片式元件;(2)無源功能電路埋置于多層特點(diǎn)：（1）

成本低、工藝基礎(chǔ)好、工藝靈活性高；（2）一般用于＜30MHz系統(tǒng)MCM-L、MCM-C、MCM-D5.7.1概述MCM-C（Ceramic）：厚膜陶瓷型MCM，采用絲網(wǎng)印刷成膜工藝，制成的高密度多層厚膜布線和高密度多層布線陶瓷基板結(jié)構(gòu)的多芯片組件。（2）具有較高的布線層數(shù)、布線密度、封裝效率和優(yōu)良的可靠性、電性能與熱性能。（3）成本適中特點(diǎn)（1）有兩種類型：高溫共燒陶瓷（HTCC）工藝（燒結(jié)溫度>1500°C）

采用高熔點(diǎn)金屬W/Mo，但損耗大，難以用于高頻電路低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝（燒結(jié)溫度850~900°C）

Ag-Pd，Au-Pd-Cu，低電阻率材料布線，可用于微波毫米波5.7.1概述MCM-D（Deposition）：淀積薄膜型MCM，是在Si、陶瓷或金屬基板上采用薄膜工藝形成高密度互連布線而構(gòu)成的多芯片組件。（2）布線線寬和線間距最小，具有更高的布線密度、封裝效率以及更好的傳輸特性，適用于要求組裝密度高、體積小的高頻高性能系統(tǒng)。特點(diǎn)（1）薄膜工藝，電路性能最佳采用真空蒸發(fā)、濺射、電鍍等成膜工藝，涂覆聚酰亞胺PI（εr=3.4）或苯并環(huán)丁烯BCB（εr=2.7）介質(zhì)，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)制作電路圖形。（3）成本高5.7.1概述各類MCM封裝工藝比較5.7.2LTCCLTCC技術(shù)具有優(yōu)異的高頻性能，已成為微波毫米波高密度集成技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn)微系統(tǒng)，SOP低溫共燒陶瓷（LowTemperatureCo-firedCeramic：LTCC）技術(shù)：

以厚膜技術(shù)和陶瓷多層技術(shù)為基礎(chǔ)，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在850℃左右燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件；也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。應(yīng)用領(lǐng)域包括：雷達(dá)T/R組件、移動(dòng)通信前端設(shè)備、無線互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、醫(yī)療電子設(shè)備等5.7.2LTCCLTCC生瓷帶——由粉料流延工藝制備而成工藝制作包括：配料、真空除氣和流延等三道工序。首先將玻璃陶瓷粉、潤濕劑、有機(jī)粘合劑按照一定的比例混合；然后經(jīng)過漿化形成漿料澆注在移動(dòng)的載帶上(通常是聚脂膜,即Mylar)，形成致密、厚度均勻、易于加工并具有足夠強(qiáng)度的生瓷帶；烘干LTCC生瓷帶切割成片生瓷帶在制備過程中載帶延伸方向與其垂直方向受力大小不同，會(huì)導(dǎo)致后期共燒工藝后橫向和縱向收縮率不同，需在載帶上切割時(shí)做好標(biāo)記膜帶的致密性、厚度的均勻性和強(qiáng)度是關(guān)鍵5.7.2LTCCLTCC生瓷帶常見的生瓷帶制造商如下：Dupont,Ferro,Heraeus,IKTS,CERAMTEC,NAMICS,……DuPont951主要用于中低頻電路FerroA6M主要用于微波和中高頻電路5.7.2LTCCLTCC導(dǎo)體材料導(dǎo)體材料：1.銀Ag;2.混合金屬外層是可焊接的PdAg導(dǎo)體及可絲焊的Au導(dǎo)體;內(nèi)層是Ag導(dǎo)體）涉及到焊接的焊盤需加厚處理。5.7.2LTCCLTCC加工工藝流程5.7.2LTCCLTCC加工工藝流程（1）生瓷帶片準(zhǔn)備階段切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的生瓷帶片（比如：85*85mm）標(biāo)記方向，防止后期三維堆疊燒結(jié)時(shí)翹曲烘干，除去水分及有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)5.7.2LTCC（2）孔和腔制作孔與腔制作方法：機(jī)械、激光孔包括三大類：定位孔；接地孔：導(dǎo)熱、屏蔽、接地層間互連孔：RF、DC……;接地孔和互連孔需要金屬化填充(導(dǎo)體漿料)腔在電路印刷完畢后制作定位孔和布版區(qū)域5.7.2LTCC（2）電路（圖形）印刷圖形印刷方法:厚膜絲網(wǎng)印刷、薄膜電路、計(jì)算機(jī)控制布線

厚膜絲網(wǎng)印刷：最小線寬100um，最小線間距150um，成本低，性價(jià)比高；薄膜沉積或薄膜光刻:成本高，僅適合最外層電路（Dupont光刻漿料線寬可到40~50um）；計(jì)算機(jī)直接繪制：方便靈活，效率低，對(duì)導(dǎo)電漿料黏度和干燥速度要求高5.7.2LTCC（2）電路（圖形）印刷為避免燒結(jié)時(shí)基板翹曲，電路圖形中金屬層面積不能過大不同類型的漿料，面積要求不同。細(xì)線漿料面積不能過大，接地面漿料可以適當(dāng)大些；導(dǎo)帶線寬：0.1~1.5mm,推薦0.15~0.2mm大面積導(dǎo)體采用柵格狀結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)體覆蓋面積不大于50%，柵格線條寬0.25~0.4mm,線條間距0.55mm。（柵格可平行，也可45°角分布）5.7.2LTCC（2）電路（圖形）印刷電阻圖形，為LTCC表面電阻，一般方阻100Ω/□5.7.2LTCC（2）電路（圖形）印刷電阻圖形，為LTCC表面電阻，一般方阻100Ω/□5.7.2LTCC毫米波LTCC系統(tǒng)應(yīng)用舉例接收機(jī)輸入信號(hào)頻率為35GHz±500MHz,中頻輸出信號(hào)為60MHz

接收前端原理框圖

LTCC應(yīng)用指標(biāo)分配參量過渡SPSTLNAMixerLPF中放增益分配(dB)-1.5-1.521-6.5-120總增益(dB)-1.5-31811.510.5

30.5部件噪聲(dB)1.51.52.66.514.5總噪聲(dB)1.535.65.665.69

5.87LTCC應(yīng)用87工藝及布局LTCC基板采用FERROA6生瓷帶，共燒后單層厚度為0.094mm基板共9層，4層介質(zhì)層，5層金屬層層間內(nèi)層金屬及通孔填充采用銀漿料,基板表面金屬導(dǎo)體采用金毫米波傳輸線采用厚膜光刻技術(shù)，提高厚膜導(dǎo)體的分辨率。LTCC接收前端橫截面示意圖LTCC應(yīng)用88LTCC基板形狀為規(guī)則的矩形表面電路背面電路LTCC應(yīng)用89LTCC接收前端第二次加工裝配圖加工樣品LTCC應(yīng)用90測(cè)試結(jié)果射頻輸入功率：-15dBm，本振輸入功率：2dBm系統(tǒng)增益大于24.8dB，噪聲系數(shù)小于9.4dB。

制作出的LTCC接收前端外形尺寸約為60mm×50mm×10mm，該模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為LTCC技術(shù)在毫米波部件和系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。LTCC應(yīng)用LTCCAnsoft仿真設(shè)計(jì)實(shí)例——帶通濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：多層基板；通帶頻率：L波段相對(duì)帶寬：40%;

插入損耗<3dB;LTCC應(yīng)用92

Designer-電路圖的設(shè)計(jì)濾波器電路原理圖濾波器電路仿真結(jié)果LTCC應(yīng)用93

Designer-LTCC原理圖設(shè)計(jì)LTCC濾波器原理圖LTCC應(yīng)用94

Designer-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)出物理拓?fù)鋱D濾波器三維結(jié)構(gòu)LTCC應(yīng)用95導(dǎo)入Hfss驗(yàn)證在Designer主菜單layout項(xiàng)選擇exporttoHFSS,出現(xiàn)exporttoHFSS對(duì)話框，顯示VBScriptScript腳本文件。在存儲(chǔ)位置雙擊文件類型為VBScriptScriptFile圖標(biāo)，AnsoftHfss自動(dòng)生成相應(yīng)的LTCC濾波器模型。VBScriptScript腳本文件LTCC應(yīng)用96設(shè)定變量進(jìn)行仿真優(yōu)化

Hfss-三維調(diào)諧和優(yōu)化LTCC應(yīng)用97

Hfss-三維EM驗(yàn)證濾波器立體模型LTCC濾波器S11和S21參數(shù)圖LTCC應(yīng)用98帶通濾波器設(shè)計(jì)3的S21實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和濾波器外形圖LTCC應(yīng)用X波段LTCC接收前端LTCC應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，各器/部件如下：前兩級(jí)低噪聲放大器:HMC516，第一個(gè)混頻器選用HMC130，第二個(gè)混頻器選用HMC277MS8