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

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chip condenser廠商未在產品型錄或是資料表(data sheet)記載該元件的自我共振頻率，因此必需利用類似

MCSIL(Murata Chip S-parameter & Impedance Libra ry)進行chip condenser的等價電路值。圖6是MCSIL的畫陎。雖然chip inductor的等價電路為並聯共振電路，不過圖7的chip condenser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1680type GRM18系列GRM1884C1H1R0CZ01高頻積層chip inductor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，也就是說測詴結果並無無寄生容量的特性。由圖10的測詴結果可知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(coup ling condenser)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6 MCSIL的實際畫陎

圖7 chip condenser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micro strip電路為例，通常多層電路板內側表層會成為基準的接地層(Ground layer)，封裝於電路板表層的元件接地，則是利用小直徑via hole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via hole直徑，並利用模擬分析探討via hole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via hole具有微量的電抗成份，因此多層電路板表陎的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via hole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via hole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，via hole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via hole

圖12 via hole的simulation電路

圖13 via hole的頻率阻抗特性

晶片元件對高頻電路的影響

接著要介紹chip induct、chip condenser以及via hole對5GHz LAN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(enhanc ement mode)的模擬型HEMT(High Electron Mobility Transistor)。ATF-55143的輸入為2GHz，V DS=2.7V，I DS=10mA 時的特性如下所示:

‧三次IMD的intercept point為24.2dBm。

‧1dB壓縮(compression)輸出為14.4dBm。

‧噪訊值(noise figure) 為0.6dB。

‧Gain為17.7dB。

ATF-55143最大的特徵是它的強化模式(enhancement mode)，因為一般depletion mode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(bia s)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(enhancement mode)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14 HEMT的偏壓方式

接著根據資料表(data sheet)記載的V DS=2.0V，I DS=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(noise figure)測詴結果；圖17是Gain測詴結果；圖18是輸出入VSWR測詴結果。

根據上述測詴結果可知雖然上述測詴屬於模擬分析架構，不過卻可獲得很好的特性。

圖15 定數調整用模擬電路