芯耀
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射频与微波系统最常见故障，设备工作异常时首要排查方向，往往都来源于接地处理不当。遵循相应的接地设计准则，能够节约大量时间与成本。微波放大器工作于高频，对接地设计有严苛要求。地环路是一类常见问题，除此以外，接地结构不合理、寄生效应、电磁干扰引入噪声等问题，同样会严重恶化系统性能。
随着工作频率不断提高、系统集成度越来越高，解决上述接地难题，对保障基于MMIC的整机功能与稳定性至关重要。
一、到底什么是“地”？
电气系统中，“地”是整套系统理论上的公共参考点，所有电压都以该点作为测量基准。“地”这个概念源自建筑电气系统，也就是实际接大地。而射频、微波系统里，地通常指承载电路板的金属机壳电位。接地具备多重作用：为直流提供回流路径、给信号提供稳定参考电位、依靠屏蔽作用抵御电磁干扰。
理想的“地”，要求所有接地点电位时刻完全相等，即各个接地点之间阻抗趋近于零。所谓良好接地，就是通过设计让实际工况尽可能逼近该理想假设，不至于劣化射频性能。
射频微波电路中，可靠接地意义重大。除去安全层面，设计优良的接地网络可以实现：
- 维持阻抗稳定，保证信号参考电位稳定；
- 消除地环路、屏蔽电磁干扰，压低系统噪声；
- 实现敏感电路与干扰源之间的隔离。
很多地平面同时兼具散热功能，把放大器这类大功率器件产生的热量散出去。
二、MMIC放大器简介
MMIC放大器依托半导体工艺，把大量有源、无源器件集成在同一块基片上。广泛应用在5G通信、卫星通信、雷达、军工装备、毫米波成像等高频场景。工作在300 MHz‑300 GHz微波频段，可以实现低噪声、低失真的信号放大。
三、MMIC放大器的接地故障
MMIC放大器的优势：高频工作、集成度高、体积紧凑，同时也带来各类接地隐患。芯片尺寸很小，微波频段下，芯片内部物理结构以及间距往往仅为波长的很小一部分。
电磁耦合经验准则：平行走线长度达到0.1倍波长及以上，器件之间就会产生明显耦合。既会出现芯片内部耦合，也会通过地平面耦合噪声。因此MMIC放大器对噪声、信号完整性十分敏感，微小的接地缺陷，就会造成性能大幅恶化，甚至引发自激振荡。
下面介绍MMIC放大器几类典型接地问题：地环路、寄生参数、电磁干扰、地弹噪声。
1、地环路
电路设计时，我们通常默认所有接地器件电位完全一致，接地点之间阻抗为零。现实中受材料非理想特性影响，该假设并不成立。地平面、接地连接的阻抗分布不均匀，不同位置会出现地电位差，进而形成地环路。
多条接地通路构成闭合回路，因地电位差产生不必要的环流，就形成地环路。对MMIC放大器危害尤其突出：芯片体积小，内部晶体管增益高，对噪声极度敏感，轻微地环路就会带来显著影响。
MMIC芯片与封装之间、封装与PCB板之间，都会出现微小地电位差，从而形成地环路。这些寄生电流会抬高系统噪声底，恶化相位噪声、回波损耗以及线性度。地环路还会形成非预期反馈通路，造成放大器振荡。
在微波频段，即便是尺寸极小的物理结构，也会引入寄生电感与寄生电容，对接地性能造成影响。接地通路中的寄生电感会造成不同接地点之间出现电压差，致使放大器无法获得统一稳定的参考电位。对于MMIC放大器，键合丝、过孔、地平面连接处带来的寄生电感是主要问题来源。
- 键合丝：用于将MMIC芯片连接至封装地的键合丝自身存在电感，高频条件下会引发相位偏移，甚至造成放大器自激振荡。
- 过孔：PCB板中用于将不同层连通到地的过孔会引入寄生电感，该效应在高频应用中尤为突出。这类寄生电感会让地电位“悬浮”，削弱地平面作为稳定参考电位的作用。
举个例子：下表对比了单个0.5nH电感，以及8个0.5nH电感并联之后，阻抗随频率的变化关系。从中可以看到阻抗随频率升高快速增大，而多通路并联能够有效抑制该问题。
3、寄生效应对MMIC性能的影响
寄生参数会偏移放大器的阻抗匹配状态、增大插入损耗，同时降低功率效率。在MMIC功率放大器中，接地通路存在的寄生电感（见下图）会造成电流分布不均，产生局部热点，缩短放大器的使用寿命。
接地过孔的寄生电感还会产生谐振，进而引发振荡。下文给出的pHEMT简化小信号模型可以说明：接地电感与晶体管内部寄生元件之间会发生谐振。
举个例子，接地电感会和栅‑源电容Cgs发生谐振，在谐振频率点等效对地短路。器件输入端出现大电流以及阻抗失配，最终造成振荡。谐振频率可以由下面熟知的公式进行估算。
4、电磁干扰（EMI）耦合
当接地设计不合理时，电磁干扰会耦合进入放大器的地平面（见上图）。形成环路的接地走线或地平面最容易受到辐射型电磁干扰耦合。其他耦合途径还有串扰：相邻走线依靠互感产生耦合；以及天线效应，地平面充当天线接收，甚至向外辐射电磁干扰。无论哪种耦合方式，最终都会造成参考地电位不稳定，使放大输出出现杂散信号、信号失真，噪声底抬高。
5、地弹噪声
地弹现象指参考地电位发生快速跳变，大多由电流突变引发。该现象在数字电路中十分常见，但微波放大器高速工作、会产生大电流瞬态，同样会遭受地弹影响。微波放大器产生地弹的诱因：上电/掉电时序、信号电平突变、高频开关动作。
地弹会严重恶化微波放大器性能，对时序精度要求高的系统影响尤为明显。快速电压扰动带来抖动与相位噪声，造成信号失真。根源来自电源噪声耦合、器件工作不稳定，以及地弹带来的寄生参数变化。参考电位波动会造成偏置点漂移，进一步导致增益、压缩点、噪声系数发生波动。
四、MMIC放大器接地问题的改善手段
合理设计接地网络，能够缓解上述各类接地缺陷。核心手段包含：地平面优化、减小寄生电感、接地网络建模仿真、增加屏蔽、接地隔离。
1、地平面优化
地平面设计不佳，会给MMIC放大器带来严重性能问题。微波系统中，地平面承担信号回流路径。地平面上任何不连续、开槽、高阻抗区域，都会引发信号反射，带来信号完整性问题。
2、避免地平面碎片化
设计需要保证地平面完整连续，尽量减少开槽、狭缝、过孔，防止地平面被割裂。地平面碎片化会产生电流集聚效应：接地电流被迫从狭窄区域流过，接地阻抗上升，引发信号劣化，放大器电路产生不必要电磁辐射。
下图对比完整的顶层地平面与碎片化地平面案例。碎片化案例中可以看到过孔造成地平面开槽、割裂与中断。虽然这类结构无法完全规避，但是布局时合理摆放，可以最大程度降低对性能的负面影响。
3、减小回流路径阻抗
微波频段下，信号回流路径的阻抗必须做到尽可能低。地平面设计不合理会抬高回流路径阻抗，造成放大器插入损耗、回波损耗指标恶化。
采用带专用地平面的多层PCB，能够降低寄生电感，为信号提供低阻抗回流通路。如果无法设置专用地平面，则应尽可能把所有接地汇集到同一个点，这种接地方式依据电路形态，被称为星型接地。
下图对比了带有专用地平面的电路板与单层板的差异。仅依靠顶层走线接地的电路板会形成三条相互独立的接地通路；具备专用地平面的电路板，接地集中在器件正下方，为整个电路提供更直接、更低阻抗的信号回流路径。
4、减小寄生电感
降低寄生电感对优化放大器性能至关重要。使用短而粗的键合丝，或者直接采用倒装芯片工艺彻底取消键合丝，可以大幅减小电感。此外，缩短过孔长度，并且把过孔就近布置在信号通路旁边（缩短走线长度），可以进一步抑制寄生效应对电路的影响。
5、接地网络建模仿真
前文讲到，地环路产生的根源：理想假设——地平面电位、阻抗处处相等，在实际中并不成立。实际器件必然存在各种非理想特性。
设计阶段把这些非理想特性纳入电路仿真，就可以削弱它们带来的负面影响。在设计之初就把接地寄生参数纳入仿真，能够在问题出现之前完成电路优化。
举个例子：把MMIC芯片、芯片封装、PCB电路板放在一起进行联合仿真，对每一处接口都建立对应模型。
6、屏蔽与滤波
合理的屏蔽措施可以保护MMIC放大器免受电磁干扰。对整块PCB或者局部区域（例如MMIC封装）做屏蔽，能够避免外部噪声耦合进地平面。但屏蔽壳体、接地边缘一旦存在开孔或者缝隙，屏蔽效能就会大打折扣。
多层电路板在屏蔽方面具备很大优势：信号线可以走内层布线，避免接地屏蔽层出现不连续。另外，在电源、信号线上增加低通滤波器或者磁珠，能够有效抑制高频噪声。
7、接地隔离
接地隔离对系统设计人员是十分实用的手段，尤其电路板同时存在大功率与小功率器件时效果突出。将电路不同模块的地进行分割，能够有效抑制地环路，降低电路受地弹噪声影响的程度。
对于存在大电流或者开关瞬态电流的器件，对其做接地隔离，可以减小它对周边器件的干扰。既可以切断地环路，也能把地弹噪声限制在电路局部区域。
需要做接地隔离时，经常采用前文介绍的星型接地结构。星型接地可以让敏感电路共用一个公共接地点，该点与其他大功率、高噪声的接地点相互隔离。系统会存在多个接地点，但可以把特性不同的电路模块相互隔离开，实现整体性能提升。
最后总结一下：
微波MMIC放大器高频工作时，接地缺陷极易引发性能劣化。地环路、寄生电感电容、EMI耦合、地弹噪声，会造成阻抗失配、噪声抬升、信号失真甚至自激振荡、器件早衰。可通过优化完整地平面、减小寄生参数、接地建模仿真、屏蔽滤波、星型接地隔离等手段，有效规避接地问题，提升射频电路稳定性与工作性能。
