Компоненты для беспроводной связи. Монолитные СВЧ микросхемы для систем LMDS и MVDS
С появлением радиально-узловых многоточечных систем связи, таких как LMDS (Local Multipoint Distribution
Service) и MVDS (Multipoint Video Distribution System), развитие которых в ближайшее время будет основным
направлением развития беспроводных приложений, некоторые производители радиоэлектронного оборудования, в том
числе компании UMS, Alpha, Marconi, TRW и Mitsubishi, начали производство монолитных СВЧ микросхем (MMIC)
миллиметрового диапазона, предназначенных для использования в этих системах. Так как конструктивное исполнение
в дешевых корпусах с приемлемыми характеристиками в требуемом диапазоне частот на настоящий момент недоступно,
большинство эти устройств имеют бескорпусное исполнение.
Компания Philips Broadband Networks начала выпуск монолитных СВЧ усилителей, предназначенных для встраивания
непосредственно в волноводный тракт собственной автономной многоточечной видеодистрибутивной системы (MVDS).
Что касается подсистем, компания ARCOM разработала и представила прошлым летом на выставке в Балтиморе свой
новый усилитель мощности для базовой станции системы MVDS.
Активные волноводы
Линия СВЧ усилителей с фланцевым креплением компании Philips включает как малошумящие малосигнальные,
так и среднесигнальные усилители для волноводов типоразмеров WG22 и WG24, работающие в диапазонах частот
28 и 38–42 ГГц.
В процессе изготовления монолитные СВЧ микросхемы монтируются на “мягкой” подложке, изготавливаемой по стандартной
технологии производства печатных плат, которая затем помещается между двумя половинами волновода в E-плоскости,
как показано на рис. 1. При таком положении подложки она постоянно находится в максимуме E-поля, распространяющемся
вдоль нее, а так как в этом случае через стыки частей волновода никакие СВЧ токи не протекают, то разрушительное
влияние на доминирующую волноводную моду такой неоднородности сводится к минимуму. Передача СВЧ сигнала между
волноводной модой и микрополосковой линией осуществляется посредством введения широкополосных диаметрально противоположных
финлайновых переходов, которые поворачивают вектор электрического поля на угол 90°, чем обеспечивается правильная
ориентация поля на микрополосковой линии.
Рис. 1. Технология сборки, используемая компанией PHILIPS BROADBAND NETWORKS: монолитные СВЧ усилители устанавливаются на "мягкую" подложку, которая затем размещается между двумя половинами волновода в Е-плоскости
Материал подложки имеет низкое значение диэлектрической проницаемости, благодаря чему достигаются относительно
большие размеры распределенных элементов схемы, а следовательно, упрощается их изготовление. Его коэффициент
теплового расширения приблизительно равен таковому для кристаллов устанавливаемых микросхем. Чтобы микросхема
могла быть установлена на верхнюю поверхность подложки, СВЧ земля организована как часть перехода от микрополосковой
линии к копланарному волноводу (CPW). Такое решение позволяет сузить центральный проводник до размеров контактной
площадки монолитной СВЧ микросхемы, чем достигается ее более качественное согласование с 50-Ом трактом. Проходные
отверстия, соединяющие верхнюю и нижнюю стороны подложки вдоль стенки волновода, используются для предотвращения
паразитных потерь сигнала.
Рис. 2. Топология подложки активного волновода компании PHILIPS со смонтированным монолитным СВЧ усилителем
Образец подложки со смонтированной монолитной СВЧ микросхемой показан на рис. 2. Напряжения смещения подаются
к микросхеме через специальные отверстия в стенках волновода, а внешняя плата питания позволяет обеспечить питание
цепи затвора и стока от одного положительного источника.
Рис. 3. Частотные характеристики опытного образца печатной платы, размещенного в волноводе и состоящего из двух насквозь соединенных переходов без смонтированной микросхемы
На рис. 3 приведены частотные характеристики опытного образца печатной платы, состоящего из двух насквозь
соединенных переходов без микросхемы, размещенной в волноводе. Величина вносимых потерь в диапазоне частот 33–44
ГГц составляет менее 0,8 дБ, а в окрестности частоты 38 ГГц — менее 0,3 дБ.
Монтаж микросхем
Монолитные СВЧ микросхемы устанавливаются на специальные заземленные контактные площадки между полосками
на верхней стороне подложки с использованием проводящего эпоксидного компаунда. Связь сигнальных полосков и
портов микросхемы осуществляется с помощью двух перемычек из золотой проволоки. Каналы подачи напряжений смещения
и резонатор вокруг монолитной СВЧ микросхемы имеют поперечные размеры, во много раз меньшие половины длины волны
основного сигнала, что предотвращает паразитные потери сигнала. Под микросхемой располагается волноводная нагрузка,
предотвращающая распространение волноводной моды с рабочей частотой в произвольном направлении.
Коэффициент шума активного волновода, включающего малошумящий монолитный усилитель, в диапазоне частот от 41,5
до 42,5 ГГц составляет около 5 дБ. Это значение на 1 дБ превышает коэффициент шума отдельной микросхемы, что
связано с дополнительными вносимыми потерями на переходах от микрополосковой линии к копланарному волноводу
(0,5 дБ), а также потерями на монтажных проволочках сигнальных портов микросхемы (0,5 дБ).
Уровни мощности
Описанное выше конструктивное решение используется для малошумящих малосигнальных и среднесигнальных усилителей
мощности на монолитных СВЧ микросхемах, рассеивающих мощность по постоянному току до 1 Вт. При применении более
мощных устройств микросхему необходимо припаивать на специальные медь-вольфрамовые держатели, расположенные в
отверстиях подложки. Так как используемые в конструкции переходы достаточно широкополосные, такие активные волноводы
могут перекрывать несколько связных частотных диапазонов, например, 28, 38 и 42 ГГц.
Выпускаются также активные волноводы с большим усилением на нескольких монолитных микросхемах. Комбинируя два
малошумящих усилителя с одним среднесигнальным усилителем, можно получить коэффициент усиления более 80 дБ при
выходной мощности насыщения более +20 дБм на частоте 42 ГГц.
Малошумящий волноводный усилитель типоразмера WG22 имеет усиление около 20 дБ и коэффициент шума 3 дБ на частоте
28 ГГц. Усилитель типоразмера WG24 имеет усиление 24 дБ и коэффициент шума 5 дБ на частоте 42 ГГц. Оба усилителя
работают от однополярного источника питания +6 В и потребляют ток не более 50 мА.
Усилитель средней мощности типоразмера WG22 имеет коэффициент передачи +22 дБ на частоте 28 ГГц и выходную мощность
насыщения более +23 дБм. Ток потребления от источника +6 В составляет 500 мА. Модель типоразмера WG24 имеет усиление
21 дБ и выход-ную мощность насыщения более +20 дБм на частоте 42 ГГц. Ток потребления от источника +6 В составляет
350 мА.
Рис. 4. Амплитудные характеристики среднесигнального волноводного усилителя типоразмера WG24 производства компании PHILIPS. Высокий коэффициент усиления достигается применением трех СВЧ микросхем, смонтированных на подложке, расположенной внутри волновода
Среднесигнальный усилитель мощности с высоким усилением типоразмера WG24, реализованный на трех монолитных
СВЧ микросхемах, имеет усиление свыше 70 дБ во всем диапазоне рабочих частот (в отдельных точках — до 80 дБ),
а также мощность насыщения более +20 дБм на частоте 42 ГГц. Ток потребления составляет 500 мА. За счет изменения
напряжения смещения на затворе первого МШУ возможно управление коэффициентом усиления устройства. Усиление
может быть снижено до 50 дБ, при этом отрицательный ток цепи управления составляет 1 мА. На рис. 4 изображены
зависимости коэффициента передачи усилителя и уровня сигнала на его выходе от уровня мощности входного сигнала.
Аналогичный усилитель типоразмера WG22 в настоящее время находится в стадии разработки.
Все модели усилителей имеют отрицательное напряжение смещения на затворе, не превышающее 1 В. Все модели
типоразмера WG22 имеют полную длину 60 мм, а типоразмера WG24 — 50 мм.
Чипсеты
К комплекту микросхем производства компании United Monolithic Semiconductors (UMS), предназначенных для
построения малошумящих усилителей CHA2094 и среднесигнальных усилителей с мощностью насыщения +22 дБм CHA4094
для систем MVDS, в настоящее время добавились смеситель с преобразованием вниз и подавлением зеркального канала
приема, а также конвертер с преобразованием вверх, оба изготовленные по 0,25-микронной технологии PHEMT. При
этом земля и по СВЧ и по питанию располагается на нижней стороне микросхемы, что значительно упрощает процесс
сборки конечного изделия.
Смеситель IRM40 диапазона 40,5–42,5 ГГц с подавлением зеркального канала включает буферный усилитель
гетеродина. Частотный диапазон гетеродина составляет 39,5–40,5 ГГц, что соответствует диапазону промежуточной
частоты 0,9–2,15 ГГц. Конвертер с преобразованием вверх MIX40 диапазона 40,5–42,5 ГГц также имеет буферный
усилитель гетеродинного сигнала. Диапазон входных частот при частоте гетеродина 39,5 ГГц составляет 1,0–3,5 ГГц.
Оба устройства имеют типовое значение потерь преобразования –9 дБ при уровне гетеродина +5 дБм. Микросхемы
имеют габаритные размеры 2,07ґ1,26 мм.
Для систем точка-точка
Три новых монолитных малошумящих СВЧ усилителя производства компании Alpha Industries предназначены как
для радиально-узловых многоточечных систем связи LMDS, работающих в частотном диапазоне 28 ГГц, так и для
систем связи точка-точка диапазона 23 и 38 ГГц.
На рис. 5 показана фотография кристалла одной из монолитных микросхем, изготовленной по 0,25-микронной PHEMT
технологии с Ti/Pd/Au затворами с использованием электронно-лучевой литографии на MBE слоях. Здесь применяется
пассивация поверхности, а золоченое металлизированное покрытие обратной (нижней) стороны кристалла позволяет
использовать для монтажа микросхем на платы проводящие компаунды на основе эпоксидных смол. Диапазон рабочих
температур для всех микросхем от -55 до +90°C.
Рис. 5. Фотография кристалла малошумящей усилительной монолитной СВЧ микросхемы производства компании ALPHA INDUSTRIES, предназначенной для использования в различных системах связи
Устройство AA038N1-00 представляет собой реактивно-согласованный четырехкаскадный усилитель диапазона 26–40 ГГц
с типовыми значениями коэффициента шума 3,8 дБ и коэффициента усиления 22 дБ на частоте 38 ГГц в режиме малого
сигнала. Типовое значение возвратных потерь для входа и выхода составляет -12 дБ, а мощность выходного сигнала
при уровне компрессии усиления -1 дБ составляет +7 дБм. Усилитель имеет однополярное напряжение питания 4,5 В и
ток потребления 28 мА.
Трехкаскадные малошумящие усилители AA022N1-00 и AA028N1-00 перекрывают частотные диапазоны 20–24 и 24–30 ГГц,
соответственно. Устройство AA028N1-00 имеет типовые значения коэффициента шума 2,8 дБ и усиления 18 дБ на частоте
28 ГГц, в то время как модель AA022N1-00 имеет типовые значения коэффициента шума 2,5 дБ и усиления 22 дБ на
частоте 23 ГГц в режиме малого сигнала.
Мощность выходного сигнала при уровне компрессии усиления -1 дБ составляет +8 дБм для версии, работающей на
частоте 23 ГГц, и +7 дБм для версии 28 ГГц.
Типовое значение тока стока для обоих устройств составляет 24 мА при напряжении питания +4,5 В, возвратные
потери входа и выхода составляют -12 и -15 дБ, соответственно.
Рис. 6. Частотные зависимости коэффициентов усиления и шума трехкаскадного МШУ АА028N1-00 диапазона 24-30 ГГц производства компании ALPHA INDUSTRIES при различных напряжениях смещения
На рис. 6 изображены частотные зависимости коэффициента шума и усиления устройства AA022N1-00 при трех различных
напряжениях питания: 2,5, 4,5 В и оптимальном из диапазона 2,5–5,0 В.
Частотные диапазоны
Устройства серий MGFC5100 и MGFC5200 производства компании Mitsubishi представляют собой соответственно
малошумящий и мощный монолитные СВЧ усилители, перекрывающие частотный диапазон 18–43,5 ГГц. Малошумящий
усилитель MGFC5109 работает на частотах 27,5–30 ГГц и имеет усиление 18 дБ и коэффициент шума 2,5 дБ, в
то время как модель MGFC5110 перекрывает диапазон 37–40 ГГц и имеет усиление 18 дБ и коэффициент шума 3,5 дБ.
Типовое значение КСВ входа и выхода — не хуже 2,0. Оба устройства потребляют ток 30 мА, причем напряжение
питания микросхемы MGFC5109 составляет +5 В, а микросхемы MGFC5110 — +2,5 В. Кристалл микросхемы MGFC5110
имеет габариты 2,3ґ1,2 мм.
Устройства MGFC5216 и MGFC5214 представляют собой монолитные СВЧ усилители мощности для частотного диапазона
37–43 ГГц с минимальным коэффициентом усиления 20 и 10 дБ, соответственно. Мощность выходного сигнала при уровне
компрессии усиления –1 дБ составляет +16 дБм для модели MGFC5216 и +23 дБм для модели MGFC5214. Оба устройства
имеют напряжения питания +5 В, ток потребления составляет 140 и 520 мА, соответственно. Кристалл микросхемы
MGFC5214 имеет габаритные размеры 2,0ґ1,6 мм.
Помимо набора модулей СВЧ усилителей мощности миллиметрового диапазона в настоящее время компания TRW наладила
выпуск ряда арсенид-галлиевых микросхем смесителей, перекрывающих частотный диапазон 19–64 ГГц. Все смесители
используют пассивированные гетеропереходные биполярные устройства (HBT), включенные по схеме “звезда”, и не
требуют внешнего постоянного напряжения смещения.
Устройства MDB171C и MDB172C представляют собой двойные балансные смесители с преобразованием вниз и подавлением
зеркального канала приема, работающие в частотных диапазонах 35–45 ГГц и 19–33 ГГц, соответственно. Смеситель
MDB171C имеет типовое значение потерь преобразования 6,5 дБ и подавление зеркального канала приема не менее 25
дБ при номинальном уровне сигнала гетеродина +16 дБм. Диапазон промежуточных частот составляет 0–5 ГГц. Развязка
между входом гетеродина и сигнальным входом равна 40 дБ, между входом гетеродина и выходом промежуточной частоты — 20 дБ.
Максимальное значение КСВ входа смесителя равно 1,5. Смеситель MDB172C имеет типовое значение потерь преобразования
7 дБ и подавление зеркального канала приема не менее 30 дБ при мощности сигнала гетеродина +15 дБм. Развязка между
входом гетеродина и сигнальным входом составляет 43 дБ, между входом гетеродина и выходом промежуточной частоты — 23 дБ.
Максимальное значение КСВ входа устройства равно 1,4. Оба смесителя имеют развязку между входом сигнала и выходом
промежуточной частоты 25 дБ.
Двойной балансный смеситель MDB170C диапазона 54–64 ГГц с преобразованием вниз и подавлением зеркального
канала приема имеет типовое значение потерь преобразования 6,5 дБ и подавление зеркального канала 35 дБ.
Смеситель MDB176C с преобразованием вверх и усиленной развязкой между входом гетеродина и выходом СВЧ того же
частотного диапазона имеет типовое значение потерь преобразования 6 дБ. Этот смеситель также может быть использован
как преобразователь вниз с потерями преобразования 6,5 дБ. Развязка между входом гетеродина и выходом СВЧ устройства
MDB176C имеет типовое значение 55 дБ, а во всем диапазоне частот — не менее 40 дБ.
Усилители мощности
Компания Marconi Technology Centres, ранее называвшаяся GMMT, выпустила предварительную информацию о
планируемых к выпуску предусилителях и усилителях мощности для систем MVDS частотного диапазона 35–42,5 ГГц
и систем точка-точка диапазона 38 ГГц.
Усилитель X35-5105 имеет неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более ±0,3 дБ и возвратные
потери по входу не хуже 9,5 дБ. Его напряжение питания составляет +2,0 В, ток потребления равен 85 мА.
Усилитель X35-5106 имеет неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более ±0,5 дБ и возвратные
потери по входу не хуже 8 дБ. Напряжение питания микросхемы равно +3,5 В, ток потребления составляет 370 мА.
Оба устройства имеют возвратные потери по выходу не хуже 9,5 дБ и напряжение на затворе -0,5 В.
Габаритные размеры микросхемы X35-5105 равны 2,11ґ0,96 мм, а микросхемы X35-5106 — 1,70ґ3,23 мм.
Базовые станции
Мощный усилительный модуль 42PA003 для базовой станции усилителя мощности производства компании
ARCOM имеет мощность выходного сигнала, равную +36 дБм, при уровне компрессии усиления -1 дБ на
частоте 42 ГГц. Типовое значение коэффициента усиления в малосигнальном режиме составляет 35 дБ, а
коэффициент шума равен 5 дБ. Усилитель потребляет ток 2,5 A от источника постоянного напряжения +6 В
и ток 400 мA — от источника -5 В. Компания ведет работу по улучшению линейности и эффективности усилителя
с целью довести допустимый уровень выходной мощности до +43 дБм.
Microwave Engineering Europe, ноябрь 1998 г.
Перевод Ю. Потапова