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Für Systemintegratoren, die an HF-Systemen arbeiten, ist das größte Problem oft nicht die Auswahl der Chips an sich, sondern die Tatsache, dass Nachdem man alles zusammengebaut hat, weigert sich das System einfach, zu funktionieren.
Wenn man jeden Chip einzeln testet, sehen die Werte gut aus. Der LNA (rauscharme Verstärker) weist eine Rauschzahl von 0,8 dB auf. Der Leistungsverstärker liefert eine Ausgangsleistung von 20 W. Der Mischer weist einen Umwandlungsverlust von 6 dB auf. Doch sobald man beide Bauteile auf derselben Platine montiert, die Schrauben festzieht, die Abschirmabdeckung schließt und erneut misst, ist die Verstärkung um 3 dB gesunken, es treten überall Störsignale auf, und der Empfänger geht hin und wieder in Sättigung.
Wo liegt das Problem?
Es steckt im Wort Integration. Bei der Integration geht es nicht nur darum, Chips auf eine Platine zu löten. Es bedeutet vielmehr, dafür zu sorgen, dass sie alle einwandfrei funktionieren, ohne sich gegenseitig zu stören – und zwar im selben physikalischen Raum, unter denselben Temperaturbedingungen und in derselben elektromagnetischen Umgebung.
In diesem Artikel geht es nicht darum, wie man Chips selbst entwirft. Stattdessen werden aus der Perspektive der Systemintegration die technischen Probleme behandelt, die in Datenblättern zwar nie auftauchen, in realen Projekten jedoch mit Sicherheit auftreten.
1. Wärme: Der unsichtbare Leistungskiller
Die größte Wärmequelle in einem HF-Frontend ist in der Regel der Leistungsverstärker. Ein Leistungsverstärker, der eine Ausgangsleistung von 20 W bei einem Wirkungsgrad von 50% liefert, erzeugt weitere 20 W Wärme. Können diese 20 W nicht rechtzeitig abgeführt werden, steigt die Sperrschichttemperatur des Chips rapide an.
Der Temperaturanstieg wirkt sich systemweit auf HF-Chips aus:
- Die Eigenkapazitäten von GaAs-HEMTs ändern sich mit der Temperatur erheblich – die Verstärkung nimmt ab, der Frequenzgang verschiebt sich.
- GaN-HEMTs halten höheren Temperaturen stand und weisen im Temperaturbereich von –40 °C bis 150 °C deutlich geringere Parameterschwankungen auf – allerdings ist ihre Wärmeflussdichte höher. Bei gleicher Chipgröße erzeugt GaN eine konzentriertere Wärmeentwicklung.
- Der Vorspannungspunkt eines Leistungsverstärkers driftet mit der Temperatur. Ohne Temperaturkompensation in der Vorspannungsschaltung kann sich der Leistungsverstärker von Klasse AB in Richtung Klasse B oder sogar Klasse C verschieben, was zu einer Verschlechterung der Linearität führt.
Technische Gegenmaßnahmen:
Erstens, Bei der Chip-Platzierung muss die Verteilung der Wärmequellen berücksichtigt werden. Platzieren Sie den PA am Modulrand, nahe am Wärmeabfuhrweg; platzieren Sie den LNA im kühlsten Bereich. Das ist keine Spekulation – diese Erkenntnis basiert auf den Ergebnissen thermischer Simulationen.
Zweitens, Der Wärmepfad muss so kurz wie möglich sein.. A nackt sterben Ein direkt eutektisch auf einen Kupferträger gelöteter Chip weist einen Wärmewiderstand auf, der um eine Größenordnung geringer ist als der eines auf einer Leiterplatte montierten, verpackten Bauteils. Aus diesem Grund werden in Systemen mit hoher Leistungsdichte häufig ungehäuste Chips bevorzugt und die Mikromontage selbst durchgeführt, anstatt auf verpackte Bauteile zurückzugreifen.
Drittens, Die thermische Simulation muss frühzeitig durchgeführt werden.. Warten Sie nicht, bis die Platine zurückkommt und die PA in den thermischen Abschaltmodus wechselt, bevor Sie Kühlkörper anbringen. Berechnen Sie bereits in der Entwurfsphase die Leistungsverteilung, die Luftströmungswege und die Wärmeleitmaterialien.
Viertens, Die Temperaturkompensationsschaltung darf nicht weggelassen werden.. Ein einfacher Thermistor sowie einige Widerstände und Kondensatoren können die Vorspannung automatisch an Temperaturänderungen anpassen. Wenn Sie bei dieser Schaltung ein paar Cent sparen wollen, geht das auf Kosten einer stabilen Ausgangsspannung über den gesamten Temperaturbereich.
2. Elektromagnetische Verträglichkeit: Der Kampf gegen die eigenen Signale
Das heimtückischste Problem bei HF-Systemen ist Selbstinterferenz – dass sich Ihre eigenen Signale gegenseitig stören.
Ein typisches HF-Frontend umfasst gleichzeitig:
- Hohe Signalleistungen aus der Sendekette (mehrere zehn Watt)
- Winzige Signale aus der Empfangskette (Mikrowatt oder sogar Nanowatt)
- Lokaloszillatorsignale (Dauerstrich, mit nicht vernachlässigbarer Leistung)
- Digitale Steuersignale (Rechtecksignale mit hohem Oberwellenanteil)
- Welligkeit und Rauschen auf den Versorgungsspannungsschienen
Alle diese Signale breiten sich auf derselben Platine und innerhalb desselben Hohlraums aus. Starke Signale können über das Substrat, durch räumliche Abstrahlung oder über Gleichtakt-Leistungspfade in die Empfangskette einkoppeln und den Empfänger übersteuern. LO-Signale können zum Antennenanschluss durchschlagen und dort als abgestrahlte Störspitzen auftreten, die zu Fehlern bei EMV-Prüfungen führen.
Häufige Kopplungswege und Gegenmaßnahmen:
Leitungsgebundene Kopplung – über Stromversorgungs- und Masseflächen. Die Lösung besteht in getrennten Stromversorgungsbereichen: Verwenden Sie unterschiedliche LDOs für die Sende- und Empfangsteile und verbinden Sie die digitalen und analogen Masseflächen an einem einzigen Punkt.
Strahlungskopplung – durch das elektromagnetische Feld im Weltraum. Die Lösung besteht in einer Aufteilung in Hohlräume: Es werden separate, abgeschirmte Kammern für Senden, Empfangen und LO vorgesehen, wobei Durchführungsfilter für die Isolierung zwischen den Kammern sorgen.
Substratkopplung – durch die dielektrischen Schichten. Die Lösung liegt in einer sorgfältigen Planung des Schichtaufbaus: Es sollten durchgehende Referenz-Masseflächen für HF-Signalleiter vorgesehen und empfindliche Signale durch Schutzleiter abgeschirmt werden.
Die technische Erfahrung von STARDL im Bereich der HF-Isolierung konzentriert sich weitgehend auf die Lösung dieser Probleme. In einem Phased-Array-Radar mit Hunderten dicht beieinander angeordneter Sende-/Empfangskanäle liefert jeder Kanal eine beträchtliche Sendeleistung, während der Empfänger eine extrem hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten muss – der Aufbau eines stabilen Systems unter diesen Bedingungen erfordert umfangreiches Fachwissen im Bereich der Isolationsauslegung.
3. Erdung: Das einfachste Konzept, die komplizierteste Technik
Das Erden könnte die das Grundlegendste und am meisten unterschätzte Thema in der Hochfrequenztechnik.
In Niederfrequenzschaltungen bedeutet Erdung lediglich den Anschluss an einen “0 V”-Bezugspunkt – dabei spielt es keine Rolle, in welche Richtung der Strom fließt. In HF-Schaltungen hingegen geht es bei der Erdung um aktuelle Rückwege.
Die charakteristische Impedanz von HF-Signalen beträgt 50 Ω, und der Rückweg muss dem Signalweg möglichst genau folgen. Ist der Rückweg zu lang oder die Erdungsimpedanz zu hoch, entsteht eine große Schleife – und diese Schleife wirkt wie eine Antenne, die sowohl Störungen ausstrahlt als auch empfängt.
Häufige Fallstricke bei der Erdung:
Geteilte Masseflächen. Manche Entwickler trennen die analoge und die digitale Masse und verbinden sie an einem einzigen Punkt. In HF-Schaltungen kann dieser “einzige Punkt” zu einem hochohmigen Knoten werden, wodurch digitales Rauschen über die Massefläche in den analogen Bereich eingekoppelt werden kann. Ein robusterer Ansatz besteht darin, eine durchgehende Massefläche zu verwenden, das Layout nach Funktionen zu unterteilen und eine Aufteilung der Masse zu vermeiden.
Zu hohe Durchgangsimpedanz. Die Massefläche eines HF-Chips muss über Durchkontaktierungen mit der Masseebene verbunden sein. Sind zu wenige Durchkontaktierungen vorhanden oder sind diese zu klein, steigt die Masseimpedanz – was die Verstärkung und die Isolation beeinträchtigt. Als Faustregel gilt: Verwenden Sie so viele Masse-Durchkontaktierungen wie möglich mit dem größtmöglichen Durchmesser, den das Layout zulässt, und platzieren Sie diese überall dort, wo Platz vorhanden ist.
Große Erdschleifenfläche. Der Abstand zwischen der Signalleitung und ihrer Rückleitungsmasse sollte so gering wie möglich sein. Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen Mikrostreifen- und koplanaren Wellenleiter ist die Art und Weise, wie der Rückweg gesteuert wird.
4. Entkopplung: Die Stromversorgungsintegrität ist die erste Verteidigungslinie
HF-Chips stellen wesentlich strengere Anforderungen an die Stromversorgung als digitale Chips. Digitale Schaltungen können in der Regel mit einer Spannung innerhalb von ±5% betrieben werden, doch bei einem HF-Chip wird die Versorgungswelligkeit direkt auf das HF-Signal aufmoduliert, wodurch Störspitzen entstehen.
Die Auswahl von Entkopplungskondensatoren ist Es gilt nicht einfach: “Je größer, desto besser.”
Störsignale unterschiedlicher Frequenzen erfordern zur Filterung unterschiedliche Kapazitätswerte:
- Kondensatoren der 100-pF-Klasse weisen Resonanzfrequenzen im Bereich von mehreren hundert MHz auf und filtern hochfrequente Störsignale heraus.
- 1 nF bis 10 nF, für Rauschen im mittleren Frequenzbereich
- 100 nF bis 1 µF, für Niederfrequenzrauschen
- Kondensatoren mit einer Kapazität von mehr als 10 µF für transiente Strombedürfnisse
In der Regel, Es sind Kombinationen über drei Größenordnungen hinweg erforderlich – zum Beispiel 100 pF parallel zu 1 nF, 100 nF und 10 µF. Die Anordnung ist wichtig: Kleinere Kondensatoren sollten möglichst nah an den Chip-Pins platziert werden, während größere etwas weiter entfernt sein können.
Zudem ziehen HF-Leistungsverstärker, die im Impulsbetrieb arbeiten, dynamischen Strom – der innerhalb eines Augenblicks von Milliampere auf mehrere Ampere ansteigt. Ist die Entkopplung im Strompfad unzureichend, schwankt die Versorgungsspannung mit den Stromschwankungen, was dazu führt, dass die Ausgangsphase mit der Amplitude variiert (AM/PM-Umwandlung) – wodurch die Linearität beeinträchtigt wird.
5. Ein oft übersehener Faktor: Verbindungsleitungen
Die in den Datenblättern angegebenen S-Parameter werden auf einer Wafer-Level-Probestation gemessen – dabei berühren die Sonden direkt die Chip-Pads. Auf Ihrer Leiterplatte werden die Signale jedoch über Bonddrähte, Gehäuseanschlüsse und Leiterbahnstrecken übertragen – jeder dieser Schritte fügt parasitäre Elemente hinzu.
Ein 1-mm-Gold-Bonddraht hat bei 10 GHz eine Induktivität von etwa 1 nH und weist eine Reaktanz von etwa 63 Ω auf. – liegt bereits nahe an der Systemimpedanz von 50 Ω. Allein dieses Kabel verändert die Anpassungsbedingungen.
Ein Großteil der Optimierungsmaßnahmen von STARDL bei Bare-Die-Produkten konzentriert sich auf die Verbindungsebene. Ein Bare-Die wird über Bonddrähte direkt mit dem Substrat oder den Mikrostreifenleitungen verbunden, wodurch die durch Zwischenverpackungen verursachten parasitären Effekte reduziert werden. Dies bedeutet jedoch auch – Anwender von Bare-Die müssen über Kompetenzen im Bereich der Mikrobaugruppenfertigung verfügen, darunter Chip-Montage, Drahtbonden, eutektisches Löten und andere Verfahren.
Die Realität im Ingenieurwesen
Bei der Integration von HF-Frontends geht es im Kern um eine Reihe von Chips – von denen jeder Wärme erzeugt, Rauschen abstrahlt, störanfällig ist und zu gegenseitiger Kopplung neigt – auf übersichtliche und optimale Weise auf begrenztem Raum anzuordnen.
Die Auswahl der Chips ist nur der erste Schritt. Die Wahl der richtigen Chips garantiert noch nicht, dass das System einwandfrei funktioniert. Wie die Wärme abgeleitet wird, wie die Masseverbindungen verlegt werden, wie die Isolierung erreicht wird, wie Entkopplungskondensatoren platziert werden – diese “schmutzigen, detailreichen” Aufgaben sind die eigentlichen Faktoren, die darüber entscheiden, ob das System zuverlässig läuft.
Das HF- und Mikrowellen-IC-Portfolio von STARDL – vom Bare-Die über gehäuste Bauelemente bis hin zu GaN-Leistungsbauelementen, das den Frequenzbereich von Gleichstrom bis 50 GHz abdeckt – liefert im Wesentlichen die “Grundbausteine” für die Systemintegration. Aber Materialien sind eben nur Materialien. Ob Sie sie gut nutzen können, hängt davon ab, wie tiefgreifend Sie diese technischen Zusammenhänge verstehen.
