13基础电路设计十三5GHz的高频电路设计技巧.docx
《13基础电路设计十三5GHz的高频电路设计技巧.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《13基础电路设计十三5GHz的高频电路设计技巧.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
13基础电路设计十三5GHz的高频电路设计技巧
基礎電路設計（十三）5GHz的高頻電路設計技巧
宇量
內容標題導覽：
｜頻率與信號位相｜晶片元件對高頻電路的影響｜元件的物理性對高頻電路的影響｜結語｜
隨著行動電話、WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）、藍芽（Bluetooth）的普及化，高頻電子設備已經成為生活中的必需品，而電子設備使用的頻率也從過去的1GHz逐漸朝5GHz甚至更高頻方向發展。
由於FET等主動電子元件與電容、電感等被動電子元件性能的提升，使得高頻電路的特性獲得大幅的改善。
以往GHz的電路大多是由microstripline等分佈定數電路所構成，最近因為電子元件晶片化，因此高頻電路以集中定數電路居多，不過即使高頻電路已經進入集中定數電路時代，然而設計者卻還未意識到配線長度、元件形狀等分佈定數性對高頻電路的影響。
此外電子元件晶片化之後若單靠是集中定數設計電路，勢必會遭遇到設計上的極限，因此必需借助電腦模擬技術，針對pattern與元件的形狀、配置（layout）等物理性尺寸進行精密的分析、設計，有鑑於此本文將深入探討有關5GHz高頻電路設計要領。
頻率與信號位相
如圖1所示5GHz剛好介於Cband的中央部位，5GHz的信號在自由空間的波長為60nm，相較之下厚度1.0mm的FR-4玻璃環氧基板上的50Ωmicrostripline的波長祇有32nm，在該line如果元件位置偏差8mm，信號位相會產生900的相違，進而直接、間接造成電路結構、設計以及功能上的差異。
此外電子元件晶片化並不代表可以完全取消matching調整等外置元件，換言之設計5GHz等級的高頻電路，仍應該以被動電子元件的特性為主要考量。
尤其是使用chipinductor時必需詳讀該元件的規格表（specsheet）。
表1是太陽誘電公司高頻積層chipinductorHK1608系列的型錄摘要，值得注意的是表中列示的「自我共振頻率」，由於該元件會引發自我共振，所以chipinductor的等價電路會成為電感（inductor）與電容（condenser）的等價電路，當頻率低於自我共振頻率時，會出現誘導性形成電感（inductor）功能，如果頻率高於自我共振頻率時就會出現容量性。
圖1頻率分佈chart
型號
電感值（nH）
最小Q
最小Q的測試頻率
（MHz）
Q的代表值
自我共振頻率（MHz）
直流阻抗（Ω）
測試頻率（MHz）
100
300
500
800
1000
min.
typ.
max.
typ.
HK16081NOS
1.0±0.3
8
100
14
30
40
70
90
10000
＞13000
0.05
0.015
HK16081N2S
1.0±0.3
8
100
14
30
40
70
90
10000
＞13000
0.05
0.015
HK16085N6□
1.0±0.3
10
100
14
25
33
42
46
4000
5800
0.18
0.09
HK16086N8□
1.0±0.3
10
100
14
25
33
43
47
4000
5600
0.22
0.11
HK16088N2□
1.0±0.3
10
100
14
26
34
44
48
3500
5200
0.24
0.13
HK1608R15□
1.0±0.3
8
50
13
19
16
--
--
500
800
1.2
0.73
HK1608R18□
1.0±0.3
8
50
13
18
12
--
--
400
700
1.3
0.85
HK1608R22□
1.0±0.3
8
50
12
16
--
--
--
400
600
1.5
0.95
表1HK1608系列高頻積層chipinductor的規格摘要
圖2是忽略阻抗成份單純的並聯共振電路。
如果從自我共振頻率計算寄生容量時，寄生容量約為0.125pF左右。
圖3是50Ω插入並聯（series）與分路（shunt）時的模擬（simulation）電路，圖4與圖5分別是並聯（series）與分路（shunt）時的通過特性圖。
為了簡化比較因此上述特性圖使用祇有電感值（inductance）成份的特性表示，而無寄生容量的特性。
由圖5可知插入分路（shunt）與祇有電感成份時，兩者並無太大差異；相較之下圖4的插入並聯（series）的場合，會以共振頻率為中心出現極大的差異。
換言之若將電感當作偏壓（bias）電路的扼流圈（chokecoil）使用時，寄生容量的影響會比較少，不過若將電感當作matching調整等，亦即所謂的特性調整用途時，寄生容量的影響就會變大。
圖2chipinduct的等價電路
圖3電感串聯與分路的模擬電路
圖4電感串聯電路的通過特性
圖5電感並聯電路的通過特性
幾乎所有的chipcondenser廠商未在產品型錄或是資料表（datasheet）記載該元件的自我共振頻率，因此必需利用類似MCSIL（MurataChipS-parameter&ImpedanceLibrary）進行chipcondenser的等價電路值。
圖6是MCSIL的畫面。
雖然chipinductor的等價電路為並聯共振電路，不過圖7的chipcondenser卻是串聯共振電路。
接著利用村田公司MCSIL軟體，分析太陽誘電公司1680typeGRM18系列GRM1884C1H1R0CZ01高頻積層chipinductor的自我共振特性，其結果如下所示:
‧自我共振頻率:
5785MHz。
‧阻抗值C:
0.93pF。
‧電感值L:
0.81nH。
圖8是50Ω插入並聯（series）與分路（shunt）時的模擬（simulation）電路；圖9與圖10分別是並聯（series）與分路（shunt）時的通過特性圖。
為了簡化比較因此用祇有電感值（inductance）成份的特性方式表示，也就是說測試結果並無無寄生容量的特性。
由圖10的測試結果可知50Ω插入分路（shunt）時，會以共振頻率為中心出現極大差異，相較之下50Ω插入並聯（series）時，若與祇有電容（capacitor）成份比較，雖然並未出現很大差異，不過在共振頻率附近的損失卻明顯減少。
由此可知若將電容單純當作藕合電容（couplingcondenser）使用時，電感成份的影響會比較少，相較之下或若將電容當作matching特性調整使用時，電感成份的影響則明顯增加。
圖6MCSIL的實際畫面
圖7chipcondenser的等價電路
圖8電容串聯與分路的模擬電路
圖9電容串聯電路的通過特性
圖10電容並聯電路的通過特性
此外GND（Ground）的設計對高頻電路具有關鍵性的影響，如果未正確設計GND，其結果不單是增幅器等主動電路受到影響，經常連filter等被動電路也無法獲得預期的性能。
以如圖11所示的microstrip電路為例，通常多層電路板內側表層會成為基準的接地層（Groundlayer），封裝於電路板表層的元件接地，則是利用小直徑viahole與內層連接。
為了確認與內側表層連接的表層patter是否屬於GND，因此不斷變更厚0.8的FR4玻璃環氧基板上的viahole直徑，並利用模擬分析探討viahole的阻抗（impedance）特性，亦即所謂電抗（reactance）特性。
圖12是模擬電路，圖13是模擬分析後的阻抗特性。
由分析結果可知viahole具有微量的電抗成份，因此多層電路板表面的GND會比照微量的電抗成份，從內側基準的接地層浮現，如圖13所示viahole的直徑越大，電抗成份相對的越小。
此外頻率越高電抗也越大，如果將viahole視為inductor，並計算等價性電感值其結果為:
0.067Nh@R=0.5mm
基板材質:
FR4。
基板厚度:
0.8mm。
頻率:
5GHz。
根據實驗結果顯示基板厚度越薄，viahole直徑越大且複數設置時，基本上可以有效減緩電抗。
圖11連接表、裏層GND的viahole
圖12viahole的simulation電路
圖13viahole的頻率阻抗特性
晶片元件對高頻電路的影響
接著要介紹chipinduct、chipcondenser以及viahole對5GHzLAN電路的影響，該電路使用Agilent公司的ATF-55143半導體，ATF-55143元件屬於低雜訊強化模式（enhancementmode）的模擬型HEMT（HighElectronMobilityTransistor）。
ATF-55143的輸入為2GHz，VDS=2.7V，IDS=10mA時的特性如下所示:
‧三次IMD的interceptpoint為24.2dBm。
‧1dB壓縮（compression）輸出為14.4dBm。
‧噪訊值（noisefigure）為0.6dB。
‧Gain為17.7dB。
ATF-55143最大的特徵是它的強化模式（enhancementmode），因為一般depletionmode的HEMT，gate電位必需比source的電位低，因此必需設置如圖14（a）所示的gate偏壓（bias）用負電源，或是如圖14（b）所示在source與GND之間插入電阻，使source電位比gate電位高。
而ATF-55143的強化模式（enhancementmode）不需借助其它電子元件，就可使gate電位高於source電位。
具體方法如14（C）所示將source連接於GND，如此便可用正的單電源同時提供偏壓給gate與drain。
圖14HEMT的偏壓方式
接著根據資料表（datasheet）記載的VDS=2.0V，IDS=15mA的S參數與噪訊參數，進行以下三種模擬（simulation）分析:
‧模擬分析1:
使用理想性電子元件，具體而言是GND使用理想性被動電子元件，且HEMT
連接的GND也是理想性。
圖15是可作定數調整的模擬電路；圖16是噪訊
形態（noisefigure）測試結果；圖17是Gain測試結果；圖18是輸出入VSWR測試結果。
根據上述測試結果可知雖然上述測試屬於模擬分析架構，不過卻可獲得很好的特性。
圖15定數調整用模擬電路
圖16理想性元件與GND的噪訊型態測試結果
圖17理想性元件與GND的Gain測試結果
圖18理想性元件與GND的VSWR
‧模擬分析2:
實測值更換成L（電感）與C（電容），同時將viaholeGND也列入考慮，並假設特性會惡化。
圖14電路的L（電感）與C（電容）假設是使用太陽誘電公司的HK1608系列或是GRM18系列的chipinduct與chipcondenser元件，因此必需更換成共振電路，此外還利用viahole將HEMT的source與GND連接進行模擬分析。
chipinduct的寄生容量全部都是0.1pF，chipcondenser串聯電感值（inductance）全部都是0.8nH，基板為厚0.8mm的FR4。
圖19是模擬電路；圖20是噪訊形態（noisefigure）測試結果；圖21是Gain測試結果；圖22是輸出入VSWR的測試結果。
上述測試結果若與圖16～18的測試結果比較時，很顯然的是所有的特性都朝低頻方向偏離惡化，換言之所有的特性都無法使用。
圖19實際L、C與viaholeGND的模擬電路
圖20實際L、C與viaholeGND的噪訊型態測試結果
圖21實際L、C與viaholeGND的測試結果
圖22實際L、C與viaholeGND的VSWR
‧模擬分析3:
電路的基本結構不變，祇是將定數調整盡量接近理想條件的特性。
圖23是調整後的電路；圖24是噪訊形態（noisefigure）測試結果；圖25是Gain測試結果；圖26是輸出入VSWR的測試結果。
根據測試結果顯示雖然代表marker的5.25GHz附近的值與理想條件非常接近，不過各特性都成為窄頻帶。
圖23考慮實際L、C值的模擬電路
圖24實際L、C值，relayout電路的噪訊型態測試結果
圖25考慮實際L、C值，relayout電路的Gain
圖26考慮實際L、C值與relayout電路的VSWR
元件的物理性對高頻電路的影響
圖23的電路除了viahole之外，其它部份都可視為集中定數進行模擬分析，換言之對5GHz電路而言除了viahole之外，其它部份都應該被視為分佈定數電路處理，如果希望更加提升精度時，必需追加考慮的要素分別如下所示:
‧組裝元件的land之間的連接pattern。
‧元件的物理尺寸。
‧元件與GND之間連接部位的viahole。
以及元件的外形也需列入考量，因為隨著頻率增高，元件組裝位置的變動誤差可能會造成特性上的變化，為了減少上述的影響，例如1608元件最好改用1005大小的元件，1005元件則可以改用0603大小的元件，除此之外同時還需設法提高元件組裝時的位置精度。
改用尺寸較小的電子元件除了可以降低元件的物理性尺寸的影響，還可使電路更容易被當作集中定數特性處理。
當模擬分析結束後開始著手實際電路試作與調整時，盡量依照量產型的基板形狀與尺寸製作，並裝入量產型的筐體內進行特性確認與調整，如果電路基板上方與筐體之間存有寬闊的空間時，該空間會形成導波管效應，尤其是電路基板上設有增幅器之類的主動性電路時，寬闊的空間往往成為引發異常共振的主要原因，而且寬闊的空間會使filter、switch等被動性電路輸出入之間的絕緣（isolation）惡化。
由於頻率越高波長越短，越容易穿透狹窄空間，所以5GHz的電路需要考慮的問題比2GHz的電路更多更瑣碎。
如上所述若將LAN當作microstrip之類的分佈定數電路，基本上祇需用SmithChart與電算機就可完成設計，不過如果是集中定數（亦即chip類元件）與分佈定數（亦即pattern等等）混載的電路，就必需利用其它設計工具（tools）作模擬分析。
例如設計收發信機等大規模電路時，一般會先制定leveldiagram，進行Gain分配分析等前置作業。
不過最近的模擬器（simulator）例如Eagleware公司的GENESYSV8會依照各電路方塊圖，自行定義噪訊形態（noisefigure）、Gain、IP3、P1dB，並進行系統整體的各種特性與spurious特性分析。
圖27是使用GENESYSV8的模擬器，將高頻收發信機電路以block方式輸入，進行系統分析時的畫面。
圖27GENESYSV8模擬器分析高頻收發信機電路系統時的畫面
結語
以往除了微波爐之外幾乎所有的GHz高頻電子產品幾乎都屬於軍事用品的領域，因此設計者對所謂的GHz高頻電路非常陌生，其中又以電子元件種類的差異，所形成集中定數電路與分佈定數電路特性對高頻電路微妙的影響，更是設計者必需面臨的前所未有衝擊。
除此之外利用模擬器進行系統整體的特性分析，已經成為設計高頻電路時無法或缺的手段。
【TOP】【關閉視窗】【回上一頁】【回首頁】
升级会员 