现代电子系统越来越需要紧凑、高效的电放大器,这种放大器可以适合紧凑的空间,而不会牺牲性能。从立方体卫星和5G小电池到便携式军用无线电和互联网收发机,减少PA足迹的压力从未像现在这样大。一个较小的PA省去了宝贵的板块房地产,放松了热管理,降低了材料成本,并且往往通过减少互联损失来提高整个系统的效率。然而,微型化引入了一系列权衡,涉及电输出、线性、带宽和可靠性的权衡。本条探讨了关键的挑战,提出了经过实践证明的战略,得到了现实世界实例和新趋势的支持,从而缩小了PA在空间限制的应用中的规模。

理解放大脚印的挑战

电容放大器本身就很大,因为它们必须处理高压和电流,散开显著的热量,并包括大型被动组件,以达到阻塞匹配、偏差和过滤。 在典型的PA模块中,活性半导体死亡可能只占总面积的一小部分;其余部分则被输入/输出匹配网络、电容器、连接线和热分器所消耗。 包装和连接产生的寄生素和电容进一步降解性能,迫使设计者使用更大的、较低的损耗组件。 热量管理尤其成问题:100 WPA可能因为热量而损失30—50%的输入功率,需要热汇或风扇比芯片本身大很多倍。 在空间限制环境中,这些元素必须紧密整合或用更有效的替代品取代。 理解这些根本性的制约因素是有效微型化的第一步。

最小放大器大小的战略

单石融合

将PA与单一芯片上的其他无线电频率功能——使用单晶微波集成电路技术——结合起来,消除阶段间包装,减少寄生损失。现代GaAs和GaN MMIs结合了多个放大器级、偏差网络,甚至驱动放大器在几平方毫米的足迹中。例如,一个具有芯片输入/输出匹配的单芯PA可以取代一个多芯片模块,这个模块将大四至五倍。用于子-6GHz波段的系统对接(SoC)解决方案现在与低噪放大器、交换机和控制逻辑一起嵌入PA。这种整合水平不仅缩小了多氯联苯面积,而且还通过减少销售机关节和债券线来简化设计和提高可靠性。像Qorvo和Analog设备这样的引领物提供了在生产应用中显示这些效益的超现成集成PA模块()。

采用高效益技术

更高的电加效率(PAE)意味着减少废热,这直接降低了热管理部件的大小和重量. 碳化硅(SiC)上的Gallium nitride(GaN)已经成为大功率、紧凑的PA的选择技术,因为其宽带宽带、高故障电压和出色的热导率。GAN PA可以在28-65 V的排水电压下运行,使输出密度非常高(5-10 W/mm),并且能够以比GaAs或硅LDMOS小得多的死量达到一定的电位。 输出电容力较低和阻力更高的比网络进一步缩小了足迹。例如,50 W GaN PA可以装在一个无铅的包中,这个包需要一个用旧技术比较大的3倍的模块。 降低的热解还允许较小的热汇——有时只是一个经销售的铜散热器,它在卫星有效载荷中至关重要(。 [F]。

设计优化与高级模拟

最小化 PA 脚印从设计阶段开始。 使用非线性电线- 平衡模拟器结合电磁分析, 工程师可以优化晶体管外围, 阻碍匹配网络, 以及布局寄生体, 在最小的可能区域实现目标性能。 装载量测量和AI驱动优化工具可以加快搜索紧凑匹配的地形, 如整块的元件网络, 而不是分布式传输线。 节省频率至几千兆赫的板空间。 谨慎地共同设计死因、 保证线和包件, 减少不必要的材料; 例如, 缩短0.5毫米的保证线线可以减少寄生源性, 并允许较小的匹配电容器。 模拟还可以使用多层底件, 将导线和传输线嵌入多氯联苯堆中, 释放活动部件的表面区域。 Keysight和Altair等公司提供专门工具, 使这些交换在设计周期早期可见([FLT: 0] Keysight F模拟解决方案[F])。

热管理创新

有效的热除除往往是巴勒斯坦权力机构微调化的限制因素。传统方法依赖大铝加热器,并带有强迫空气,但空间限制的设计需要更多的创造性解决办法。微通道热池通过直接粘入底部的次毫米通道循环冷却剂,可以提供大于10x的热传导性,比传统方法更好。对于高功率的GAN PA,嵌入式两相冷却器(如蒸汽室或热管)可以分散热量,而不增加厚度。热管通过热器和经销器充热的微管通过多氯联苯垂直地向底热散热器进行热。高级底质材料,如铝硝化(AlN)或合成钻石包,在隔热电时提供接近铜的热传导性。这些创新使PA置于最紧的点,即使与其他RF部件混合包中,也无需减压。Bristol大学最近的研究表明,一个紧凑式的GAN PA,使用综合的钻石热散热器,以40 % 的热(PAIEE: : : : ) [PALU)[PA]。[PAUL

表面-月球组件和高级包装

从穿孔或大型法兰套转向地表架装置(SMD)会大大减少足迹,并能够自动组装. 现代高功率的SMD包,如QFN(平整无铅)和陆地网格阵列(LGA),如果用多个地面针和暴露的垫子适当设计,可以处理多达数十瓦的瓦特. 3D包装技术——像扇形的瓦夫级包装(eWLB)——从STMro电子上垂直地将被动部件或另一件放在PA上方,节省了横向空间. 铜柱互联可以更换电线联,减少寄生阻塞,并允许更紧的死板放置. 对于Ku-band和Ka-band卫星应用,陶瓷制球网阵列阵列(BGA),与传统的螺旋式包相比,在模块区减少50%。 关键是选择一个符合热量和RF要求的包;例如,GAN PADISD 25 W,可以使用一个带式的QFN,将一个大热器出售到铜岛,将电联装在铜器上

新兴技术和未来趋势

随着若干有希望的发展,微型化的速度继续加快。 超宽波段(UWB)采用非单体分布式地形或混合式CMOS-GaN工艺的超宽波段可覆盖一个单一死亡中的多个波段(例如0.5-18GHz),从而消除不同频段对单独放大器的需要。信封跟踪(ET)和数字预存储(DPD)使PA在更高的效率点运行,减少废物热量,从而冷却。异质集成——通过瓦费尔连接或微泵-芯片规模的模-输出级将SiGe或CMOS驱动电路与GaN输出级相融合。添加式制造(3D打印)的RF结构,如热网上的一致匹配网络,很快可能使包装更加紧凑。最后,5G基站的系统内包装(SiP)和分阶段阵列雷达可以将PA与束成型、滤波器、有效天线和天线装置相融合。

结论

减少空间限制应用中功率放大器的足迹需要一种平衡半导体技术、电路设计、包装和热工程的综合方法。 单石集成、使用高效率材料如GAN、模拟驱动优化和创新冷却和包装技术,都有助于大幅缩小体积。 没有一个单一的解决办法适合所有情况;最好的结果来自结合了适合具体功率水平、频率、环境条件和成本目标的若干战略。 通过跟上新兴技术 — — 如多样化集成和三维包装 — — 发动机可以继续推进巴勒斯坦权力机构微型化的界限,从而能够产生下一代的紧凑、高性能电子系统。