專利名稱：高頻功率放大器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻功率放大器，更具體地說，本發(fā)明涉及一種微型高頻功率放大器模塊，該模塊用于例如在移動電話或者便攜式終端中放大高頻功率。
背景技術(shù)：
隨著對于終端的微型化和較長通話的需求，需要便攜式終端的信號發(fā)射部分的最終級的高頻功率放大器更小并且具有更高的效率。近年來，對于微型化的需求已經(jīng)變得越來越強烈。為了滿足這一需求，已經(jīng)以把構(gòu)成放大器的晶體管和外圍部分壓縮到一個小封裝中的這樣一種方式使功率放大器模塊化，同時輸入和輸出阻抗匹配到50Ω。該模塊的尺寸為4至5平方毫米。
該模塊所需具備的性能特征之一是易于使用的特征。具體地說，需要該模塊將其輸入和輸出與特定的阻抗匹配，并且具有優(yōu)異的浪涌電阻(surge resistance)、溫度特性以及對電壓波動的穩(wěn)定性。此外，需要該模塊對于外部電路的波動是穩(wěn)定的。具體地說，在靠近外部的地方通過一個無源元件例如開關(guān)或者收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置一個功率放大器。為此，當(dāng)外部情況存在預(yù)期的波動諸如負(fù)載波動、例如對天線造成的損壞或者天線變形時，需要該放大器不發(fā)生諸如擊穿或者振蕩等故障。
這種故障的一個典型例子是f0/2振蕩。當(dāng)在輸入頻率為f0的發(fā)射信號的狀態(tài)下急劇改變負(fù)載時，在發(fā)射頻率f0的一半頻率上發(fā)生這種振蕩。考慮了發(fā)生這種振蕩的幾個原因。下面將說明這些原因中的一個原因。
圖1示意性地示出了構(gòu)成功率放大器模塊的兩級放大器電路。該功率放大器模塊包括作為放大器部分的GaAs芯片11、輸入匹配電路12、輸出匹配電路13、具有例如電感成分L1、L2的電流供應(yīng)線(電源線)ML1、ML2構(gòu)成芯片部件的電容器C1、C2。由異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)組成的GaAs芯片11包括構(gòu)成第一級放大器的晶體管Q1、構(gòu)成第二級放大器的晶體管Q2、MIM(金屬絕緣體金屬)電容器C3和偏置電路14。
輸入匹配電路12連接在輸入管腳Pin和晶體管Q1的基極之間。輸出匹配電路13連接在晶體管Q2的集電極和輸出管腳Pout之間。具有電感成分L1的線ML1連接在電源管腳Vcc1和晶體管Q1的集電極之間。具有電感成分L2的線ML2連接在電源管腳Vcc2和晶體管Q2的集電極之間。電容器C1連接在電源管腳Vcc1和地之間，而電容器C2連接在電源管腳Vcc2和地之間。負(fù)載Zout連接在輸出管腳Pout和地之間。
最初將晶體管Q2的負(fù)載阻抗設(shè)計為在線性區(qū)或者輕飽和區(qū)工作。然而，例如，當(dāng)與功率放大器模塊連接的天線(未示出)損壞時，負(fù)載Zout的值嚴(yán)重波動。負(fù)載Zout中的波動致使晶體管的負(fù)載阻抗是一個與設(shè)計值不同的值。在這種情況下，如果在輸出管腳Pout輸出一個信號，則將在負(fù)載Zout處產(chǎn)生反射波，這將使大電流在晶體管Q2中流動或者在晶體管Q2中出現(xiàn)大電壓幅度。結(jié)果，晶體管Q2非線性地工作，導(dǎo)致失真的波形。此時，晶體管Q2以等效于所謂的混頻器的方式工作，因此具有頻率轉(zhuǎn)換增益。
如圖1所示，當(dāng)在該功率放大器模塊中存在一個構(gòu)成反饋回路LP1的電路時，對于頻率為f0/2的信號來說，晶體管Q1、Q2具有的轉(zhuǎn)換增益可以允許回路增益超過“1”。在這種狀態(tài)下，即使在該f0/2頻率信號中存在一個微小的噪聲信號，信號電平也逐漸增加，并且最終出現(xiàn)振蕩。這被稱為f0/2振蕩。
在大模塊沒有微型化的情況下，可以使如圖1所示的具有電感成分L1、L2的線ML1、ML2之間的距離足夠大。結(jié)果，形成回路LP1的的電感成分L1、L2之間的電磁耦合不存在，或者在其間僅存在非常微弱的電磁耦合。因此，在大模塊的情況下，其回路增益不超過“1”，并且因此f0/2振蕩不會發(fā)生。
然而，如上所述將模塊微型化。結(jié)果，信號線被非常高密度地布置在該模塊的一個狹窄區(qū)域中。因此，線之間的電磁耦合變得更強，這使回路增益超過“1”，并且使其更容易發(fā)生f0/2振蕩。
特別設(shè)計用于晶體管Q2的電源線ML2使其具有如此高的阻抗，以至于對于輸出匹配電路13來說可以將它忽略。為了得到高阻抗，線ML2需要非常長的線長度。線ML2的典型例子是具有λ/4長度的λ/4線。這里，λ是頻率f0的信號波長。很難在其中設(shè)置了芯片元件的模塊的表面上形成長線。為此，將模塊基板設(shè)計成具有多層結(jié)構(gòu)，并且使用多個布線層來實現(xiàn)長線。
另一方面，用于晶體管Q1的電源線ML1也起到如圖1所示的電路中的匹配電路的作用。因此，該電源線需要長到一定程度。由于當(dāng)頻率特別低時需要長線，在小模塊中，難以僅在基板的表面層形成該線。為此，在該基板內(nèi)的一個層中形成該線。
如上所述，在常規(guī)的多層模塊基板中，用于晶體管Q1、Q2的電源線ML1、ML2被復(fù)雜地布置在同一層中。因此，線ML1、ML2之間的電磁耦合不可避免。結(jié)果，形成了如圖1所示的回路LP1，這導(dǎo)致了一個問題當(dāng)如上所述負(fù)載波動時，將發(fā)生f0/2振蕩。
此外，除了圖1所示的回路LP1之外，還可能出現(xiàn)回路LP2。通過構(gòu)成輸入匹配電路12的線ML3和用于晶體管Q1的電源線ML1之間的電磁耦合形成回路LP2。構(gòu)成輸入匹配電路12的線也需要長到一定的程度。因此，也可以在內(nèi)層中形成這些線。結(jié)果，在這種情況下，也會發(fā)生f0/2振蕩。
如上所述，使用常規(guī)的多層結(jié)構(gòu)基板的小模塊具有下列問題當(dāng)晶體管由于干擾例如負(fù)載波動而非線性地工作時，回路增益超過“1”，這引起f0/2振蕩。
涉及該技術(shù)的一篇專利參考文獻(xiàn)是日本專利申請公開公布No.2000-357771。在該參考文獻(xiàn)中，在接地層39和接地層40之間的一個層中設(shè)置用于給有源元件提供直流電源的電源線25。然而，在該專利參考文獻(xiàn)中公開的技術(shù)是用于防止由高頻電路引起的交流噪聲分量進(jìn)入該直流電源。因此，該參考文獻(xiàn)既不意味著回路增益的降低，也不意味著防止了f0/2振蕩。
因此，需要一種能夠防止f0/2振蕩的高頻功率放大器模塊。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種高頻功率放大器，包括包含至少第一和第二布線層以及至少一個設(shè)置在所述第一和第二布線層之間的接地層的基板；設(shè)置在第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在第一布線層的第一電源線；以及向第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在第二布線層的第二電源線。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方案，提供一種高頻功率放大器，包括包含至少第一、第二和第三布線層以及至少一個設(shè)置在第二和第三布線層之間的接地層的基板；設(shè)置在第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在第三布線層的第一電源線；以及向第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在第二布線層的第二電源線。
附圖簡述圖1是示出了在高頻功率放大器中形成回路的位置的實例的電路圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的高頻功率放大器模塊的基板表面的平面圖；圖3是沿著圖2的線3-3截取的剖面圖；圖4A至4E是示出了圖3的各層的平面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的高頻功率放大器模塊的第一布線層的平面圖；圖6是沿著圖5的線6-6截取的截面圖；以及圖7A至7E是示出了圖6的各層的平面圖。
實施本發(fā)明的最佳模式下面將參考


本發(fā)明的實施例。
第一實施例圖2至4E示出了本發(fā)明的第一實施例。
應(yīng)用于第一實施例、與圖1所示電路相同的電路是用于例如1900MHz頻帶中的CDMA(碼分多址)信號的功率放大器。在圖2至4E中，與圖1中的相同的部分用相同的參考編號來表示。
在圖2和3中，高頻功率放大器模塊21包含多層介電層和布線層。具體地說，模塊21具有多個陶瓷薄膜基板彼此層疊的結(jié)構(gòu)。該薄膜基板的主要成份例如是氧化鋁。在每個基板21A的正面和背面上形成布線層。具體地說，從模塊21的頂部向下依次設(shè)置第一、第二和第三布線層LY1、LY2、LY3。在第一和第二布線層LY1、LY2之間設(shè)置第一接地層GND1。在第二和第三布線層LY2、LY3之間設(shè)置第二接地層GND2。在最下層的基板的背面上設(shè)置第三接地層GND3。第一、第二和第三接地層GND1、GND2和GND3中的每一個的大部分表面覆蓋有導(dǎo)電膜，例如金屬接地圖形，如圖4A、4C和4E中的斜線所示?；逯g的布線通過通路孔VH連接。
在第一實施例中，模塊21的每一側(cè)的長度例如是5mm。設(shè)置在最下層的基板上的第三接地層GND3和焊盤圖形連接到其上安裝了模塊21的板(未示出)。
在最高層(或者第一布線層LY1)上，設(shè)置如圖1所示的GaAs芯片11、輸入匹配電路12、輸出匹配電路1 3、具有電感成分L1的線ML1、用于將控制信號和其它信號提供給GaAs芯片(DC電路)的連線，以及各種芯片元件。線ML1連接在電源管腳Vcc1和GaAs芯片11中的晶體管Q1的集電極之間。在1900MHz頻帶中的功率放大器的情況下，用于獲得特定阻抗的線長可以很短。這樣，可以在第一布線層LY1中形成線ML1。在遠(yuǎn)離輸入匹配電路12和輸出匹配電路13的一個部分上形成線ML1。因此，線ML1不與輸入匹配電路12和輸出匹配電路13一起形成回路。GaAs芯片11和基板布線用金線(焊線)連接。
另一方面，在低于第一布線層的第二布線層LY2設(shè)置用于向晶體管Q2提供電流的線ML2，如圖3和4B所示。第二布線層LY2具有用于將第一布線層LY1的布線連接到下面的布線的通路孔區(qū)。除通路孔區(qū)之外的大部分區(qū)域被用于向晶體管Q2提供電源的線ML2所占據(jù)。即，第二布線層LY2能夠形成實現(xiàn)高阻抗所需的長線。
此外，主要在第二布線層LY2下面的第三布線層LY3形成延伸到該焊盤圖形的線。在第一布線層LY1和第二布線層LY2之間，如圖4A所示設(shè)置第一接地層GND1。此外，在第二布線層LY2和第三布線層LY3之間，如圖4C所示設(shè)置第二接地層GND2。
采用上述結(jié)構(gòu)，用于晶體管Q1的電源線ML1與用于晶體管Q2的電源線ML2通過設(shè)置在它們之間的第一接地層GND1完全分離。結(jié)果，在線ML1和線ML2之間不存在電磁耦合。因此，線ML1、ML2和晶體管Q2不形成回路LP1。因此，能夠抑制f0/2振蕩。
在上面的說明中，已經(jīng)描述了晶體管Q2的非線性工作。晶體管Q1由于阻抗波動也會像晶體管Q2那樣非線性工作。在這種情況下，通過用于晶體管Q1的電源線ML1、輸入信號線ML3和輸入匹配電路12形成回路LP2，如圖1中的虛線所示。即使在這種情況下，在低于線ML1的第二布線層LY2形成輸入信號線ML3，并且所述接地層GND1設(shè)置在線ML1、ML3之間，如第一實施例中的圖4B所示。這使得能夠抑制用于晶體管Q1的電源線ML1和輸入信號線ML3之間的電磁耦合。結(jié)果，可以防止在輸入端一側(cè)形成回路LP2。因此，即使當(dāng)晶體管Q1不僅由于輸出端的阻抗波動，而且由于輸入端的阻抗波動而落入非線性工作狀態(tài)時，也能夠抑制f0/2振蕩。
第二實施例圖5至圖6E示出了本發(fā)明的第二實施例。該第二實施例應(yīng)用于比第一實施例中的頻帶低的例如900MHz頻帶的CDMA信號的功率放大器。除了頻率等于或者小于第一實施例中的頻率的一半之外，第二實施例的主要結(jié)構(gòu)與第一實施例相同。為此，為了實現(xiàn)與第一實施例相同的阻抗，必須將線長制做得比第一實施例中的更長。這樣，通過象第一實施例中一樣只使用作為第一布線層LY1的頂層區(qū)域不能形成用于晶體管Q1的電源線ML1。
為了避免該問題，如圖6和7D所示，在第三布線層LY3形成用于晶體管Q1的電源線ML1。如圖7B所示，在第二布線層LY2形成用于晶體管Q2的電源線ML2。在用于晶體管Q1的電源線ML1和用于晶體管Q2的電源線ML2之間形成第二接地層GND2。這樣，第二接地層GND2把電源線ML1與電源線ML2斷開，結(jié)果在線ML1和ML2之間不存在電磁耦合。結(jié)果，沒有形成包含線ML1和ML2的回路，這抑制了f0/2振蕩。
此外，采用第二實施例，能夠避免輸出匹配電路13和用于晶體管Q1的電源線ML1之間的電磁耦合。該電磁耦合可以為另外的回路作出貢獻(xiàn)。具體地說，在如圖5和6所示的第一布線層LY1形成輸出匹配電路13。相反，在如圖6和圖7D所示的第三布線層LY3形成用于晶體管Q1的電源線ML1。在第一布線層LY1和第三布線層LY3之間，形成第一接地層GND1和第二接地層GND2。這使得能夠避免輸出匹配電路13和用于晶體管Q1的電源線ML1之間的電磁耦合。結(jié)果，能夠防止包括輸出匹配電路13和用于晶體管Q1的電源線ML1的回路的形成。因此，可以抑制f0/2振蕩。
在電源線是在相同布線層形成的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)模塊輸出端的阻抗在最大額定輸出(或者28dBm輸出)的情況下急劇變化時，觀察到f0/2振蕩。相反，在與常規(guī)結(jié)構(gòu)相同的條件下，在第一和第二實施例中沒有觀察到f0/2振蕩。具體地說，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)輸出端子處的阻抗如此變化以至于超過VSWR＝5∶1時，觀察到f0/2振蕩。然而，在第一和第二實施例中，甚至于當(dāng)VSWR變化到VSWR＝7∶1時，也沒有觀察到振蕩。
本發(fā)明并不限于第一和第二實施例。例如，在電源線ML1和電源線ML2之間形成了一個接地層。然而，也可以在電源線ML1和電源線ML2之間形成兩個或者多個接地層。
當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的精神或者實質(zhì)特征的情況下，仍然可以以其它方式實行或者實施本發(fā)明。
工業(yè)實用性如上所述，在將模塊微型化的情況下，即使晶體管由于干擾而非線性地工作，本發(fā)明也可以抑制f0/2振蕩，并因此在高頻功率放大器模塊的技術(shù)領(lǐng)域是有效的。
權(quán)利要求
1.一種高頻功率放大器，包括包含至少第一和第二布線層以及至少一個設(shè)置在所述第一和第二布線層之間的接地層的基板；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向所述第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第一布線層的第一電源線；以及向所述第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第二布線層的第二電源線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器，其中用導(dǎo)電膜覆蓋所述至少一個接地層的大部分表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管，并且形成在所述第二布線層的第三條線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接在所述第三條線和第一晶體管之間的輸入匹配電路，該輸入匹配電路在第一布線層形成，并且遠(yuǎn)離所述第一條線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接到所述第二晶體管的輸出端的輸出匹配電路，該輸出匹配電路形成在所述第一布線層，并且遠(yuǎn)離所述第一條線。
6.一種高頻功率放大器，包括包含至少第一、第二和第三布線層以及設(shè)置在所述第二和第三布線層之間的第一接地層的基板；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向所述第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第三布線層的第一電源線；以及向所述第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第二布線層的第二電源線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高頻功率放大器，其中用導(dǎo)電膜覆蓋所述第一接地層的大部分表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管，并且在第二布線層形成的第三條線。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接在將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管的所述第三條線和所述第一晶體管之間、并且形成在所述第一布線層的輸入匹配電路；以及設(shè)置在所述第一布線層和所述第二布線層之間的第二接地層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接到所述第二晶體管的輸出端，并且形成在所述第一布線層的輸出匹配電路；以及設(shè)置在所述第一布線層和所述第二布線層之間的所述第二接地層。
11.一種高頻功率放大器，包括包含第一和第二布線層以及設(shè)置在所述第一和第二布線層之間的第一接地層的基板；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向所述第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第一布線層的第一電源線；以及向所述第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第二布線層的第二電源線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高頻功率放大器，其中用導(dǎo)電膜覆蓋所述第一接地層的大部分表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管，并且形成在所述第二布線層的第三條線。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接在所述第三條線和所述第一晶體管之間的輸入匹配電路，該輸入匹配電路形成在所述第一布線層，并且遠(yuǎn)離所述第一條線。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接到所述第二晶體管的輸出端的輸出匹配電路，該輸出匹配電路形成在所述第一布線層，并且遠(yuǎn)離所述第一條線。
16.一種高頻功率放大器，包括包含第一、第二和第三布線層以及第一和第二接地層的基板，該第一接地層設(shè)置在所述第一和第二布線層之間，并且該第二接地層設(shè)置在所述第二和第三布線層之間；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所提供的高頻信號的第一晶體管；設(shè)置在所述第一布線層，并且放大所述第一晶體管的輸出信號的第二晶體管；向所述第一晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第三布線層的第一電源線；以及向所述第二晶體管提供電源，并且設(shè)置在所述第二布線層的第二電源線。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高頻功率放大器，其中用導(dǎo)電膜覆蓋所述第一和第二接地層的大部分表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管，并且形成在所述第二布線層的第三條線。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接在將高頻信號導(dǎo)向所述第一晶體管的所述第三條線和所述第一晶體管之間、并且形成在所述第一布線層的輸入匹配電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高頻功率放大器，進(jìn)一步包括連接到所述第二晶體管的輸出端，并且形成在所述第一布線層的輸出匹配電路。
全文摘要
在第一和第二布線層(LY1、LY2)之間設(shè)置一個接地層(GND1)。設(shè)置在所述第一布線層(LY1)的第一晶體管(Q1)放大所提供的高頻信號。設(shè)置在所述第一布線層(LY1)的第二晶體管(Q2)放大所述第一晶體管的輸出信號。在所述第一布線層(LY1)設(shè)置向第一晶體管(Q1)提供電源的第一電源線(ML1)。在所述第二布線層(LY2)設(shè)置向第二晶體管(Q2)提供電源的第二電源線(ML2)。
文檔編號G11C8/00GK1685607SQ0382327
公開日2005年10月19日 申請日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者杉浦政幸 申請人:株式會社東芝