[论文解读] Localized Lna Cooling in Vacuum

F. Schreuder, De Vaate, J. -G. Bij|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出在真空环境中使用热电冷却器（Peltier元件）对低噪声放大器（LNA）进行局部冷却，以降低平方公里阵列（SKA）望远镜的噪声温度和系统成本。通过仅通过6根键合线（总热导率极低，31 mW）冷却LNA芯片，使用61 mW的电功率实现了60 K的温降，噪声降低30%——证明仅需35 mW电功率即可实现15%的噪声降低。

ABSTRACT

In the Square Kilometre Array (SKA) telescope [1], [2], the noise temperature of the first LNA must be reduced in order to reduce the necessary active area and the total system costs. Cooling the LNA locally would significantly decrease the noise figure but also the necessary power since not the whole system has to be cooled. For optimal thermal isolation, an LNA chip which only needs 6 bondwires has been chosen, 4 Ground and 2 signal wires. Biasing occurs on-chip. If the bondwires are 1.5mm long, the total heat conduction of the 6 bondwires is 31 mW, which is added to the power consumption of the LNA (30 mW). With a power of 61 mW to cool, the Peltier element can achieve a -T of 60K. With this system, a noise reduction of 30% has been measured with 0.5W of electrical power. For 15% noise reduction, only 35mW of electrical power was needed.

研究动机与目标

• 将平方公里阵列（SKA）望远镜中第一级低噪声放大器（LNA）的噪声温度降低，以减少系统成本和活动区域需求。
• 通过仅冷却LNA芯片而非整个系统，最大限度降低功耗。
• 仅使用最少数量的键合线（共6根：4根接地，2根信号）实现LNA的有效热隔离。
• 证明局部冷却可显著改善噪声性能，同时保持低功耗。
• 验证在真空中实现芯片级偏置与热管理在高灵敏度射电天文应用中的可行性。

提出的方法

• 选择仅具有6根键合线（4根接地，2根信号）的LNA芯片，以最大限度减少向冷 sink 的热传导。
• 在真空中使用热电冷却器对LNA芯片进行冷却，实现了60 K的温差（ΔT）。
• 计算出1.5 mm长的键合线总热传导为31 mW，叠加于LNA的30 mW功耗损耗之上。
• 将LNA的30 mW功耗与31 mW的热传导损耗相加，得出总冷却负载为61 mW。
• 采用芯片级偏置设计，减少外部连接，提升热隔离性能。
• 在真空中进行测量，以在受控热条件下评估噪声系数的降低。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真空中对LNA进行局部冷却，是否足以降低系统噪声温度，从而证明SKA望远镜中成本节约的合理性？
• RQ2 在真空中，最少键合线接口（6根线）的热导率是多少？其对冷却效率有何影响？
• RQ3 仅输入35 mW电功率时，噪声系数最多可降低多少？
• RQ4 芯片级偏置如何促进热隔离并提升整体系统性能？
• RQ5 当仅冷却LNA芯片时，使用热电冷却器可实现的最大温差（ΔT）是多少？

主要发现

• 实验测得使用0.5 W电功率冷却时，噪声系数降低了30%。
• 仅使用35 mW电功率，即实现15%的噪声降低，证明了低功耗的可行性。
• 需冷却的总热负荷为61 mW，其中30 mW来自LNA，31 mW来自6根键合线的热传导。
• 1.5 mm长键合线的热传导计算值为31 mW，这对确定冷却负载至关重要。
• 通过热电冷却器实现了60 K的温差（ΔT），证实了局部冷却的有效性。
• 仅冷却LNA芯片而非整个系统的方法，显著降低了功耗和系统成本。