Optimization of mm-wave waveguide-to-microstip line transition for low-noise amplifier

Abstract

Millimetriaaltoalueen LNA-moduuli (LNA, low-noise amplifier) koostuu tyypillisesti monoliittisesta integroidusta piiristä (MMIC, monolithic microwave integrated circuit) ja vähähäviöisestä aaltoputkilohkosta. Aaltoputken ja MMIC-piirin välissä tarvitaan sovituspiiri, jonka avulla aaltoputken impedanssi sovitetaan optimaaliseksi MMIC-piirille. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella W-taajuusalueella (75-110 GHz) toimivaan LNA-moduuliin erittäin vähähäviöinen, laajakaistainen ja MMIC-piirille oikean impedanssin toteuttava aaltoputki-mikroliuskajohtosiirtymä. Suunnittelussa käytettiin apuna sähkömagneettista kenttäsimulaattoria. Suunnittelutaajuus oli 94 GHz.

Aluksi työssä käytiin läpi kirjallisuudessa esitettyjä aaltoputki-mikroliuskajohtosiirtymiä ja niillä saavutettuja tuloksia. Tätä seurasi nykyisen, pilvitutkassa käytössä olevan siirtymän toiminnan analysointi, jossa rakenne jaettiin neljään osaan ja tutkittiin jokaisen osan toimintaa erikseen. Tämän jälkeen suunniteltiin kolme siirtymävaihtoehtoa rakenteen optimoimiseksi. Vertailemalla siirtymävaihtoehtojen hyviä ja huonoja puolia valittiin siirtymärakenne, joka on yksinkertainen sekä samalla vähähäviöinen ja laajakaistainen. Rakennetta käyttäen suunniteltiin siirtymä kahdelle MMIC-piirille, jotka eroavat transistorin koon puolesta, kahdelle bondausvaihtoehdolle (nauha- ja lankabondaus) sekä madalletulle aaltoputkelle. Lopuksi suunnitellulle siirtymärakenteelle tehtiin kattava toleranssianalyysi, jossa eri rakenteen mittoja muuttamalla simuloitiin siirtymän herkkyys valmistustoleransseille.

Nykyisen olemassa olevan siirtymän simuloitu häviö on 1,2 dB, kun taas suunnitellun, uuden siirtymän häviö on 0,6 dB. Häviötä saatiin näin ollen pienennettyä 0,6 dB. Pienennys on merkittävä erittäin vähäkohinaisten vahvistimien tapauksessa. Nykyisen siirtymän 1,2 dB:n häviö kasvattaa esimerkiksi 2 dB:n kohinakertoimen omaavaan transistoriin perustavan vähäkohinaisen vahvistimen kohinakertoimen 3,2 dB:iin (kohinalämpötila nousee 170 K:stä 316 K:iin lämpötilassa T_(phys) = T_(0) = 290 K). Suunnitellun siirtymän ansiosta vahvistimen kohinakerroin laskee 3,2 dB:stä 2,6 dB:iin (kohinalämpötila laskee 238 K:iin). Suunniteltu siirtymä sopii hyvin käytettäväksi millimetriaaltoalueen vähähäviöisiin ja -kohinaisiin sovelluksiin.