本文分析了為航空航天市場(chǎng)開(kāi)發(fā)18 GHz至31 GHz低噪聲放大器（LNA）ADH519S時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。用于太空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的芯片最初以LC4封裝發(fā)布到商業(yè)行業(yè)。為了向空間和高可靠性市場(chǎng)發(fā)布該產(chǎn)品，并符合MIL-PRF-38535標(biāo)準(zhǔn)，該部件使用最合適和可用的密封陶瓷封裝進(jìn)行組裝。本文介紹了一種獨(dú)特的解決方案和工藝教育，以通過(guò)鍵合提高RF性能。該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程帶來(lái)了以下挑戰(zhàn)：

最合適和可用的空間合格的氣密密封陶瓷封裝相對(duì)于最初發(fā)布的封裝中的芯片具有較大的空腔。較大的空腔推動(dòng)了將鍵合線長(zhǎng)度增加一倍的需求，當(dāng)與新封裝的寄生效應(yīng)相結(jié)合時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致器件不穩(wěn)定。

即使沒(méi)有發(fā)生不穩(wěn)定，長(zhǎng)鍵合線的寄生效應(yīng)也會(huì)降低S參數(shù)。

本文回顧了用于克服這些挑戰(zhàn)的不同方法，以及如何從新型密封陶瓷封裝中實(shí)現(xiàn)最佳的穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)性能。

項(xiàng)目描述和設(shè)計(jì)

為了在指定的18 GHz至31 GHz頻率范圍內(nèi)提高穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)，封裝中集成了一個(gè)0 dB無(wú)源衰減器，以縮短RF輸入/輸出鍵合線長(zhǎng)度。

在工程階段構(gòu)建了四種不同類型的電路配置，并根據(jù)LNA的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了比較，包括穩(wěn)定性、S參數(shù)和噪聲系數(shù)。Mu（μ）穩(wěn)定性因子用于測(cè)量和比較穩(wěn)定性，如公式1所示。μ的大小是穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。μ系數(shù)越大，設(shè)備就越穩(wěn)定。

四種LNA工程類型是：

英文1

LNA芯片簡(jiǎn)單地放置在封裝的中心，并用雙圓形鍵合線進(jìn)行引線鍵合。正如預(yù)期的那樣，由于封裝寄生效應(yīng)和鍵合線，在指定的工作頻率范圍內(nèi)，μ穩(wěn)定系數(shù)小于1，在某些頻率下甚至接近1。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，需要改進(jìn)輸入回波損耗（S11）。這將需要減少對(duì)LNA輸入的寄生效應(yīng)。這導(dǎo)致了Eng2的開(kāi)發(fā)。

英文2

為了提高穩(wěn)定性，在LNA的輸入端增加了一個(gè)0 dB衰減器。在LNA輸入端增加衰減器可改善輸入匹配，從而改善輸入回波損耗（S11）。結(jié)果，鍵合線也縮短了，這有助于減少寄生效應(yīng)。

英語(yǔ)3和英語(yǔ)4

在這兩種電路類型中，衰減器都放置在LNA芯片的輸出端，以改善噪聲系數(shù)?；贔riis級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)方程，第一級(jí)對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)最大，隨后級(jí)的引入噪聲除以前幾級(jí)的增益。因此，輸入噪聲變得不那么重要。在此配置中，總噪聲系數(shù)定義為：

其中 FT是總噪聲系數(shù)，F(xiàn)液化天然氣是LNA噪聲系數(shù)，F(xiàn)收件人是衰減器的噪聲系數(shù)，G液化天然氣是LNA的增益。由于放大器級(jí)之后無(wú)源元件衰減器的損耗，增益降低也可能存在權(quán)衡。

在工程樣品Eng3中，帶狀鍵合用于芯片間鍵合以及RF輸入/輸出鍵合。相比之下，樣品 Eng4 LNA 和衰減器芯片使用雙圓形鍵合線進(jìn)行引線鍵合。使用帶狀鍵合與雙圓的兩種鍵合選項(xiàng)的仿真（使用ADS）顯示，使用帶狀鍵合進(jìn)行芯片間鍵合僅略微改善了輸入回波損耗和增益。因此，為了確認(rèn)模擬，對(duì)兩種類型進(jìn)行了組裝和評(píng)估。

比較不同LNA鍵合配置的結(jié)果

英語(yǔ)3 和 Eng4 與英語(yǔ) 2

在輸出端使用衰減器可改善輸出回波損耗（S22），因?yàn)樽杩蛊ヅ涫?a target="_blank">信號(hào)反射最小化。這反過(guò)來(lái)又改善了輸出端的匹配，從而產(chǎn)生了更好的輸出回波損耗。對(duì)于較低頻率，具有較低增益的預(yù)期權(quán)衡是顯而易見(jiàn)的，但在大于22 GHz的頻率下，增益響應(yīng)（S21）幾乎相等，在一個(gè)Eng2樣本中甚至更好，這可以通過(guò)單位間的變化來(lái)證明。

英語(yǔ)3 vs. 英語(yǔ)4

在比較帶狀焊絲與雙圓形鍵合線樣品時(shí)，由于帶狀鍵合中的趨膚效應(yīng)和串?dāng)_較小，Eng3在整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有更好的性能。由于帶狀粘結(jié)的表面積與其橫截面相比更大，因此它們的電阻更低，因此功率效率更高。測(cè)試結(jié)果表明，帶狀鍵合樣品的增益性能略好，輸入回波損耗幾乎相等或可忽略不計(jì)，輸出回波損耗明顯優(yōu)于雙輪鍵合。

LNA 性能圖

圖 1 到圖 4 說(shuō)明了 Eng2、Eng3 和 Eng4 的兩個(gè)配置單元的 S 參數(shù)。此數(shù)據(jù)是通過(guò)探測(cè)封裝設(shè)備獲得的。在評(píng)估該部件的粘合選項(xiàng)開(kāi)始時(shí)確定不會(huì)考慮Eng1，因?yàn)槟M顯示該配置將被證明是最不穩(wěn)定的。

圖5所示的噪聲系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)是在評(píng)估板上測(cè)量的。

圖1.輸入回波損耗 - 探頭數(shù)據(jù)。

圖2.輸出回波損耗 - 探頭數(shù)據(jù)。

圖3.增益 - 探測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4.穩(wěn)定性比較。

圖5.噪音系數(shù)。

結(jié)論

射頻工程，即所謂的黑魔法，只是一系列可預(yù)測(cè)的物理規(guī)則。

以下是本文中描述的LNA解鎖此魔法的摘要：

對(duì)于因寄生效應(yīng)而關(guān)注匹配和回波損耗的LNA，在封裝腔體中加入衰減器是減少寄生效應(yīng)和改善回波損耗的絕佳方法。但是，應(yīng)考慮以下權(quán)衡：

輸入端衰減器：增加噪聲系數(shù)

輸出衰減器：降低增益

通過(guò)在封裝內(nèi)戰(zhàn)略性地放置衰減器來(lái)減少寄生效應(yīng)，還可以改善S參數(shù)，S參數(shù)可用作使用μ因子測(cè)量穩(wěn)定性，并且總體上有助于在整個(gè)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)非條件穩(wěn)定性。

在超高頻（3 GHz < SHF < 30 GHz）操作中，與圓線相比，帶狀鍵合具有更好的性能。權(quán)衡將是裝配的復(fù)雜性，需要考慮可制造性。

需要注意的是，這些結(jié)果可以根據(jù)基本的RF規(guī)則和公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而，在組裝不同的器件類型之前，對(duì)ADS和Genesys中的兩種芯片放置和不同的鍵合進(jìn)行了仿真。評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了模擬。

審核編輯：郭婷