CN204836090U - 一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括BT基板及其表面和内部集成的微波功率放大器电路，所述微波功率放大器电路包括依次级联的GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器。本实用新型采用BT基板作为微波功率放大器电路的基板，结合GaAs和LDMOS/GaN两种功率器件的优点，采用基板上低阻匹配的方法直接完成GaAs功放芯片和LDMOS/GaN芯片之间的阻抗匹配，能够很好地将GaAs和LDMOS/GaN两种不同工艺的器件混合集成在同一块基板上，同时解决传统高频基板在介电损耗、膨胀系数等方面的问题，模块集成度高，封装成本低，产品尺寸小，完全实现芯片内匹配，应用更方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波放大器领域，特别是涉及一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器。
背景技术
在微波大功率放大器的研制中，常需要采取多级功率放大器级联工作，来达到理想的增益和输出功率，并对该微波功放模块进行内匹配电路设计，将其输入输出特征阻抗匹配到额定阻抗，然后采用混合微波集成电路的封装技术，将多个功率器件、内匹配电路等封装在一起。
对于混合集成微波功放的设计者来说，有两个问题需要优先考虑：
第一、半导体器件的选用。设计微波功放的几种主流器件中，GaAs技术成熟，具有高频、高增益特点，但是输出功率不足；基于硅材料的LDMOS具有大功率、高线性度、高工作电压等特性，特别适合用作功率输出级，但是其增益低、输入输出匹配电路复杂，封装成本很高；第三代半导体材料GaN具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子迁移率等特性，非常适用于高温、高频、高功率应用，但是其工艺复杂，成本较高。
第二、基板材料的选用。功率电路中的基板是核心部件，它承担着机械支撑、散热和导电等关键作用，目前可供选择的常用基板有低温共烧陶瓷LTCC，传统的铜箔基板如玻璃布环氧树脂FR-4和聚四氟乙烯PTFE等。LTCC有优良的高频性能和热传导性，但是加工难度大，可靠性低，而且制作周期长，成本非常高；FR-4价位低、附着力好，但其介电性能和耐高温性能较差；PTFE介电损耗小，介电常数低、是目前应用较多的高频电路板基材，不足之处是刚性差，热膨胀系数较大，不易粘着金属，良率不高。
要设计一款高频率、高增益、大功率输出的微波功率放大器，从器件的选用上可以采用混合集成电路工艺，将GaAs器件作为驱动级，LDMOS/GaN器件作为功率输出级，设计一种GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，将能够得到更小的尺寸与更优的性能。但是，LDMOS/GaN功率芯片输出功率很大，对散热的要求非常高，对基板材质的性能要求也相应提高。因此，在基板材料的选择上，常用的传统基板已不符合要求，需要一种耐热性高、损耗小、热膨胀系数低的高性能基板材料。
实用新型内容
为克服上述现有技术的缺陷与不足，本实用新型提供一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器。
本实用新型的技术方案是：
一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括BT基板及其表面和内部集成的微波功率放大器电路，所述微波功率放大器电路包括依次级联的GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器。
优选的，所述BT基板共包括七层，从上至下，BT基板的第一、三、五、七层分别为第一、二、三、四金属层，BT基板的第二、四、六层均为BT树脂介质层；所述各金属层与BT树脂介质层之间还带有增强材料，经热压而制成BT基板；所述BT基板的上下表面涂有防焊油墨层。
优选的，所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器是未经封装的裸片，采用导电银胶固定于所述BT基板上，所述裸片通过邦定线与微波功率放大器电路的无源电路键合连接。
优选的，所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器下方的基板分别打过孔，将各层接地金属导通。
优选的，所述微波功率放大器电路的两级放大器GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器之间连接有级间匹配电路，所述级间匹配电路采用低阻匹配的方法，所述级间匹配电路设置于所述BT基板上，输入端与所述GaAs功率放大器的输出端连接，输出端与所述LDMOS/GaN功率放大器的输入端连接，直接将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗。
优选的，所述LDMOS/GaN功率放大器输出端连接有输出匹配电路，所述输出匹配电路与所述LDMOS/GaN功率放大器输出端连接。
进一步优选的，所述BT基板的第一、二、三、四金属层为铜箔层。
进一步优选的，所述级间匹配电路和所述输出匹配电路由分立元件、微带线和邦定线构成，所述分立元件和微带线通过所述邦定线与所述GaAs功率放大器和所述LDMOS/GaN功率放大器连接。
本实用新型的优点是：
1．本实用新型提供的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，将GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器集成到BT基板上，GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器级联，使得所述混合集成微波功率放大器同时具有GaAs和LDMOS/GaN两种器件的优点，整体电路具有具有高频、高增益、大功率等特点，且集成度高，封装成本低，产品尺寸小。
2．由于GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器集成到BT基板上，BT基板具有优异的耐热性、长期的耐热温度、热膨胀系数低，使得所述GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器散热性能好，在大功率芯片的散热情况下不容易发生形变；BT基板具有低介电常数、低介电损耗，使得微波信号能够不失真地传输；BT基板还具有优良的绝缘性和机械特性，使得GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器更具稳定性。
3．由于GaAs功率放大器输出阻抗和LDMOS/GaN功率放大器输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，而是采用低阻匹配的方法：在所述BT基板上直接将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗，并且无需进行常规的LDMOS/GaN封装内预匹配，这种方法便于设计，而且电路结构更简单。
综上所述，本实用新型所提供的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，采用一种新型结构的BT覆铜板作为微波功率放大器电路的基板，结合GaAs和LDMOS/GaN两种功率器件的优点，采用基板上低阻匹配的方法直接完成GaAs功放芯片和LDMOS/GaN功放芯片之间的阻抗匹配，能够将GaAs和LDMOS/GaN两种不同工艺的器件混合集成在同一块基板上，很好地解决传统高频基板在介电损耗、热膨胀系数等方面的问题，模块集成度高，封装成本低，产品尺寸小，完全实现芯片内匹配，应用更方便。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型实施例的微波功率放大器的的电路结构原理图；
图2为本实用新型实施例中所述的级间匹配电路的等效电路图；
图3为本实用新型实施例中所述的输出匹配电路的等效电路图；
图4为本实用新型实施例的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述：设计一款高频率、高增益、大功率输出的微波功率放大器，从器件的选用上可以采用混合集成电路工艺，将GaAs器件作为驱动级，LDMOS/GaN器件作为功率输出级，能够得到更小的尺寸与更优的性能。但是LDMOS/GaN功率芯片输出功率很大，对散热的要求非常高，对基板材质的性能要求也相应提高。因此，在基板材料的选择上，常用的传统基板已不符合要求，需要一种耐热性高、损耗小、热膨胀系数低的高性能基板材料。
基于此本实用新型实施例提供了一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括BT基板及其表面和内部集成的微波功率放大器电路，所述微波功率放大器电路包括依次级联的GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器。
如图1所示，所述微波功率放大器，由两级放大器GaAs功率放大器、LDMOS/GaN功率放大器，和级间匹配电路、输出匹配电路级联组成，所述GaAs功率放大器的输入端和LDMOS/GaN功率放大器的输出端连接有电容C1、C2隔直流。所述级间匹配电路、输出匹配电路、电容C1、C2和去耦电路由分立元件、微带线和邦定线构成。所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器，是未经封装的裸片。而在所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器之间还设置有偏置电路和去耦电路。
如图2所示，所述级间匹配电路由电容由C3、C4、C5和电感L1构成，所述电容C3的一端连接前级GaAs功放芯片2的输出端，电容C3另一端分别连接电容C4和C5，电容C4的另一端接地，电容C5的另一端与所述电感L1连接，电感L1与后级LDMOS/GaN功放芯片2的输入端连接。
如图3所示，所述输出匹配电路由C6、C7、C2构成，所述电容C6一端连接LDMOS/GaN功放芯片3的输出端和电容C7，电容C6的另一端接地，所述电容C7的一端连接电容C6和所述电容C2，电容C7的另一端接地，所述电容C2的一端连接电容C7，电容C2的另一端与输出接口连接。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图4和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图4是本实用新型实施例的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器的一种实施方式的结构示意图。所述基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括BT基板1及其表面和内部集成的微波功率放大器电路，所述微波功率放大器电路包括依次级联的GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3。
在本实施例所述的混合集成微波功率放大器中，所述基板为双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)基板。双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)基板属于一种特种高性能基板材料，自1982年日本三菱瓦斯化学公司经拜耳化学公司技术指导进行开发、生产以来，在制作高性能、高频率电路板设计中得到越来越多的应用。
所述BT基板1共包括七层，从上至下，BT基板1的第一、三、五、七层分别是由铜箔层构成的第一金属层7、第二金属层9、第三金属层11和第四金属层13，BT基板1的第二、四、六层分别为第一BT树脂介质层6、第二BT树脂介质层8和第三BT树脂介质层10。上述各金属层与BT树脂介质层之间还带有增强材料，经热压而制成BT基板1，BT基板1的上下表面涂有防焊油墨层12。需要说明的是，所述增强材料的作用是加强金属层和树脂层之间的界面性能，防焊油墨是的作用是保持绝缘和辅助焊接。
所述GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3固定在第一层金属层7上，第一金属层7为微波信号层；第二金属层9为微波信号地层；第三金属层11为电源层；第四金属层13为总的接地层。需要说明的是，此处金属层的使用只是本实施例的一种具体方式，实际可根据需要自由选择，本实用新型对此不做具体限定。
所述GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3是未经封装的裸片，采用导电银胶黏贴固定于所述BT基板1上，具有优良的导电性和粘结性，所述裸片通过金丝邦定线与无源电路连接，焊接质量稳定可靠、一致性好。需要说明的是，本实用新型还可以采用其他方式将GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3固定在BT基板上，也可以采用其他方式实现所述裸片和无源电路的电气连接，只是上述两种方法效果好，工艺成本低而已，本实用新型对此不做具体限定。
所述GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3下方的基板上分别打有过孔14，所述过孔14的数量由功放芯片的面积决定，目的是将BT基板中各层接地金属连接起来。
在本实用新型的所述混合集成微波功率放大器中，在所述GaAs功放芯片2和LDMOS/GaN功放芯片3之间连接有级间匹配电路4，所述级间匹配电路4采用低阻匹配的方法，所述级间匹配电路4设置于所述BT基板1上，输入端与所述GaAs功放芯片2的输出端连接，输出端与所述LDMOS/GaN功放芯片3的输入端连接。
在本实用新型的所述混合集成微波功率放大器中一般还包括输出匹配电路5，所述输出匹配电路5的输入端与LDMOS/GaN功放芯片3的输出端连接。
所述级间匹配电路4或输出匹配电路5由分立元件、微带线和邦定线构成。所述分立元件主要是贴片电容、贴片电感等，所述邦定线具有与芯片电容阻抗相匹配的分布电感，可等效为匹配电路的电感。所述GaAs功放芯片2和所述LDMOS/GaN功放芯片3的管脚通过邦定线键合连接于无源电路上。
本实用新型将级联的GaAs功放芯片和LDMOS/GaN功放芯片集成到同一BT基板上，构成混合集成微波功率放大器，同时具有GaAs和LDMOS/GaN两种器件的优点，整体电路具有具有高频、高增益、大功率等特点，且集成度高，封装成本低，产品尺寸小。BT基板具有优良的耐热性、长期的耐热温度、热膨胀系数低，极大地提高了集成微波功率放大器的散热性能，在大功率芯片的散热情况下不容易发生形变；所述BT基板还具有低介电常数、低介电损耗，使得微波信号能够不失真地传输；所述BT基板还具有优良的绝缘性和机械特性，使得所述GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器更具稳定性。所述GaAs功放芯片输出阻抗和所述LDMOS/GaN功放芯片输入阻抗都是只有几欧姆的低阻，故可以不再用常规的将输入输出阻抗匹配至50Ω的方法，而是采用低阻匹配的方法，在所述BT基板上直接将前级输出阻抗匹配到后级输入阻抗，并且无需进行常规的LDMOS/GaN封装内预匹配，使得所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器之间的阻抗非常容易匹配。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，包括BT基板及其表面和内部集成的微波功率放大器电路，所述微波功率放大器电路包括依次级联的GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器。
2.根据权利要求1所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：所述BT基板共包括七层，从上至下，BT基板的第一、三、五、七层分别为第一、二、三、四金属层，BT基板的第二、四、六层均为BT树脂介质层；所述各金属层与BT树脂介质层之间还夹有增强材料，经热压而制成BT基板，BT基板的上下表面涂有防焊油墨层。
3.根据权利要求2所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器是未经封装的裸片，采用导电银胶固定于所述BT基板上，所述裸片通过邦定线与微波功率放大器电路的无源电路键合连接。
4.根据权利要求3所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器下方的基板分别打过孔，将各层的接地金属导通。
5.根据权利要求4所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：还包括级间匹配电路，所述GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器之间的级间匹配采用低阻匹配的方法，所述级间匹配电路设置于所述BT基板上，输入端与GaAs功率放大器的输出端连接，输出端与所述LDMOS/GaN功率放大器的输入端连接，所述级间匹配电路由电容由C3、C4、C5和电感L1构成，所述电容C3的一端连接前级GaAs功放芯片的输出端，电容C3另一端分别连接电容C4和C5，电容C4的另一端接地，电容C5的另一端与所述电感L1连接，电感L1与后级LDMOS/GaN功放芯片2的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路设置于BT基板上，输入端与所述LDMOS/GaN功率放大器输出端连接。
7.根据权利要求2所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：所述BT基板的第一、二、三、四金属层为铜箔层。
8.根据权利要求6所述的基于BT基板的GaAs和LDMOS/GaN混合集成微波功率放大器，其特征在于：所述级间匹配电路和所述输出匹配电路由分立元件、微带线和邦定线构成，所述分立元件和微带线通过邦定线与GaAs功率放大器和LDMOS/GaN功率放大器连接。
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