（电磁场与微波技术专业论文）多频段下一代通信系统射频前端微波无源器件新设计.pdf

摘要摘要本文主要探讨了在各国不同频带标准下设计多频段下一代4 g 通信系统射频前端时所使用的薄膜无源器件设计以及系统搭建优化处理。针对现有w i m a x 以及未来l t e 系统的不同标准频段使用安森美提供的设计工艺提出了自己的设计以及仿真结果，具有较高的实际应用价值本文所采用的s i p 方法能够大大加速系统设计和集成的速度，具有很高的灵活性本文设计的无源器件既可以作为整体基板集成使用，搭配数字基带和有源砷化镓器件既可组成完整的无线通信系统，同样也可以作为独立器件单独封装使用，通过倒装片与金线绑定等多种方式使用在无线通信系统中，由于硅基板工艺与传统的晶圆代工厂工艺高度兼容，可以极大地降低成本，同时拥有很好的尺寸和性能。本文首先对于微波集成电路现有流行的各种技术予以了介绍和分析，对于各种技术的优缺点有着深入的分析，提出采用现有模拟i c 代工厂所常用的硅基工艺制作无源器件，对于困扰硅基器件的片上电感品质因素提高的问题，在分析传统和改进型高q 值模拟i c 工艺的基础上，进一步提出采用晶圆封装工艺的w l c s p 技术，以在晶圆代工厂制作片上电感的步骤基础上在封测厂后道制作叠层电感，通过版图级仿真和实际测量结果，对于这一影响小型化器件性能的关键器件性能有了比较好的提高。其次，本文在以上研究的基础上基于安森美公司的设计工艺在第四代通信系统的多种频段设计仿真了多种常用的微波无源器件，采用集总参数结构以符合小型化的要求，并在电路级和版图级进行了仿真和优化，部分设计结果经过实际流片测试校正，与仿真结果非常吻合，具有良好的实用性和重复性，仿真参数设置准确。与传统的低温烧结陶瓷器件比较，尺寸和性能上有一定的提高。关键词微波集成电路片上电感功分器双信器第1 页摘要a b s t r a c tt h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h et h i n f i l mp a s s i v ec o m p o n e n t sa n ds y s t e mi m p r o v e m e n t so ft h e4 gw i r e l e s ss y s t e mr ff r o n te n d t h ea u t h o rm a d et h ec o m p o n e n t sd e s i g no fw i m a xa n dl t ef r e q u e n c yb r a n da n dg o ts i m u l a t i o nr e s u l t su s i n go n s e m ih i g h - qt e c h n o l o g y t h er e s u l ti sq u i t ep r a c t i c a l t h ec o m p o n e n t sm e t i o n e di nt h i sp a p e rc a r lb ei n t e r g r a t e di nt h er fm o d u l eb o a r d ，a n dt h e s ec o m p o n e n t sc a na l s ob eu s e da si n d i v i d u a lp a s s i v ef l i p c h i po rw i r e b o n dc o m p o n e n t si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n c et h es i l i c o n - c m o st e c h n o l o g yi sv e r yc o m m o ni no e mf a b s ，t h ec o s to ft h ec o m p o n e n t sd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nb er e d u c e d ，a n dt h es i z ea n dr fp e r f o r m a n c eo ft h e s es i l i c o nb a s e dc o m p o n e n t sa r eq u i t eg o o d f i r s to fa l l ，a ni n t r o d u c t i o no ft h ep o p u l a rt e c h o n o l o g i e su s i n gf o rm m i cd e s i g ni sm a d et oa n a l i z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et e c h o n o g i e s t h eqv a l u eo fo n c h i pi n d u c o t o ri st h ec r i t i c a lp r o b l e mi ns i l i c o n b a s e dc o m p o n e n t sd e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h ec o m p o n e n t sl a y o u td e s i g na n ds i m u l a t i o na r eb a s e do nt h eo n s e m ih i g h qs i l i c o nc o p p e rt e c h o n o l g yt og e th i g h e rp e r f o r m a n c ea n dw l c s pp a c k i n gt e c h n o g yi sa l s ou s e dt or e a l i z et h eh i qo n c h i pi n d u c t o rd e s i g n s e c o n d l y ，as e r i e so fn e wp a s s i v ec o m p o n e n td e s i g n sw o r k i n go n4 gw i r e l e s ss y s t e m 仔e q u e n c yb a s e do nt h eo n s e m ih i g h qt e c h o n o l g ya lep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e s en e wd e s i g n sa l eb a s e do nl cc o m p o n e n t so fi n t e r g r a t e dp a r a m e t e r st og e tt h es m a l l e rs i z e ，a n dt h es i m u l a t i o na n dt u n i n gw o r kh a v eb e e nd o n eo nt h es c h e m a t i c sl e v e la n dl a y o u tl e v e l s o m ec o m p o n e n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lt a p e o u tm e a s u r e m e n tr e s u l t si nt h i sp a p e r , a n dt h e ym a t c hq u i t ew e l l ，w h i c hc e r t i f yt h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o np a r a m e t e r ss e t t i n g s t h en e wc o m p o n e n td e s i g n sa l eb e t t e rt h a nt h en o r m a ll t c cc o m p o n e n t si ns i z ea n dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m m i ch i g h - qi n d u c t o rw i l k i n s o np o w e rd i v i d e rd i p l e x e r第页插图目录插图目录图1 1f b a r 滤波器结构8图1 2 片上电阻的实现9图1 3 片上电阻的等效电路图1 0图1 - 4 蛇形走线实现的片上大电阻1 0图1 5m i m 电容器的实现1 1图1 - 6m i m 电容器的等效电路图l l图l 。7 交指型电容器的结构1 2图1 8 基于兼容c m o s 工艺硅衬底的g a n 功率器件1 3图2 1 线性放大器版图j 1 5图2 2 带状电感器的等效电路1 7图2 3 单圈环状电感器1 7图2 - 4 螺旋电感器版图1 8图2 5 螺旋电感器结构图1 9图2 - 6m e m s 实现的空气桥螺旋电感1 9图2 7 螺旋电感的等效电路1 9图2 8 矩形螺旋电感计算2 0图2 - 9 硅基螺旋电感等效电路图2 2图2 1 0 共面线衰减常数比较2 3图2 1 l 硅基衰减曲线比2 3图2 1 2 安森美硅铜技术结构截面图2 6图2 1 3w l c s p 封装示意图2 7图2 1 4 直接凸块c s p 2 7图2 1 5 重分布层r d l w l c s p 2 8图2 一1 6 标准片上螺旋电感设计版图2 8图2 1 7 片上螺旋电感仿真结果l 2 9图2 1 8 片上螺旋电感仿真结果2 3 0第v i 页插图目录图2 1 9 多层堆叠式片上螺旋电感3 1图2 2 0 a d s 设计宽带滤波器结构图3 2图2 2 15 g h z 滤波器电路仿真3 2图2 2 2 一个基于l c 电路的5 g h z 宽带滤波器实物图3 3图2 2 3c a s c a d e 探针台测量系统3 4图2 2 45 g h z 滤波器设计仿真与实际测量结果比对图3 4图3 1 分支耦合器结构图 gboqd0 3 6图3 2 单节二等分w i l k i n s o n 功分器3 8图3 3w i l k i n s o n 功分器的奇一偶模分析3 9图3 - 4 多级连接的四等分微带线w i l k i n s o n 功分器版图3 9图3 5 不等量输出的微带线w i l k i n s o n 功分器版图4 0图3 - 6 传输线与集总参数元件变换4 l图3 7w i l k i n s o n 功分器集总元件等效电路图4 1图3 8a d s 建立的w i l k i n s o n 功分器集总元件结构图4 2图3 - 9a d s 中w i l k i n s o n 功分器电路图插入损耗仿真结果4 3图3 1 0 a d s 中w i l k i n s o n 功分器电路图隔离度仿真结果4 3图3 1 la d s 中四等分功分器电路设计图0gle00io i d l l 04 4图3 1 2 a d s 中四等分功分器电路仿真结果4 5图3 1 3 叠层螺旋电感的设计4 6图3 1 4 叠层螺旋电感值与品质因数4 6图3 1 5 功分器版图a d s 仿真性能4 7图3 1 6 倒装片示意图 0000g4 7图3 1 7 片上测试用功分器实物图 l0oa 4 8图3 1 8 插入损耗仿真与测量结果比对4 8图3 1 9 隔离度仿真与测量结果比对4 9图4 1 常见双工器5 1图4 2 双信器基本构成6e 9 g 5 1图4 3 一种双频段c d m a 双信器的性能图5 2图4 - 4 微带线实现的w i m a x 双信器5 3第v i i 页插图目录图4 5 简单结构的l c 结构双信器5 4图4 - 6 改进架构的l c 结构双信器5 4图4 7a d s 中l t e 双信器原理图5 5图4 8a d s 双信器原理图仿真优化结果5 6图4 9l t e 双信器版图仿真结果dr 5 7图4 1 0w j m a ) 【双信器原理图仿真结果5 8图4 1 1w i m a ) 【双信器版图仿真结果5 9图4 1 2 用于w i f i 双频段的双信器金线邦定实物图6 0图4 1 3w i f i 双信器测量与仿真结果比较6 0图4 1 4 双信器优化结构框图6 1图4 。1 5 覆盖w i m a x 频段的宽带滤波器原理图6 2图4 1 6 宽带滤波器原理图仿真结果6 2图4 1 7w i m a x 双信器原理图仿真优化结果6 3第v i i i 页表格目录表格目录表1 1 对称频段划分2表1 2 不兑成频段划分3表1 3m m i c 和h m i c 两种不同微波电路比较6表2 1 不同几何形状电感计算参数2 1表2 2 硅铜工艺的主要工艺特性2 4表2 3 硅铜工艺的基本元器件特性2 5第1 x 页第l 章绪论第1 章绪论1 1 下一代通信系统技术的历史和现状随着现代无线通信系统的不断发展，传输宽带化、业务多样化成为未来的一个大趋势，各大电信业务提供商的核心网经过多年的建设，已经具备了超高速和大容量的特征，因此如何发挥优势，建立有效的宽带接入网建设就成了电信网的核心问题。近年来移动便携设备的迅猛发展，特别是移动设备智能操作系统的发展，极大的发展了移动互联网。如何满足便携设备的宽带无线接入成为业界的主要议题。当前，m m d s ，l m d s ，w i _ , a n ，u w b ，w i m a x ，h s d p a ，e v d o ，f d l t e ，t d l t e 等各种无线宽带技术应用正在迅速发展中。w i f i 出现之前无线局域网就有2 0 多年的的历史了，但只有在w i f i 形成标准后无线局域网才迅速发展起来。前些年的热点技术如本地多点分配业务( l m d s ) 系统和多点多信道分配系统( m m d s ) 曾经成为一个非常热门的固定的宽带无线接入技术，它们实际上都是点到多点的微波传输系统，可以提供双向的话音数据和视频，但是实际上后来它们的生存情况并不理想，这些技术没有被市场广为接纳的一个原因是没有统一的标准。w i f i 的发展充分显示，统一的标准有助于硬件成本的下降，同时促成不同制造商设备之间的互操作性。下面从无线宽带接入的技术标准入手，对于4 g 通信系统进行探讨。美国i e e e ( 电气电子工程师协会) 建立了多种标准，其中把无线网络标准分成以下几种：i e e e8 0 2 1 5 是个人区域网络( p a n ) ( 如蓝牙) ；i e e e8 0 2 1 l是广泛使用的无线局域网；i e e e8 0 2 1 6 为无线城域网( m a n ) ；而i e e e8 0 2 2 0 则是覆盖面积更广的广域网( w a n ) 。其中i e e e 8 0 2 1 6 标准是一种i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，它对工作于不同频带的无线接入系统空中接口进行了规范。它所支持的无线系统覆盖范围大约是公里级，因此这一系统主要应用于城域网中。在其分支标准中根据是否支持移动性，8 0 2 1 6 标准可分为固定宽带无线接入空中接i z l 标准( i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ) 和移动宽带无线接入空中接口标准( i e e e 8 0 2 1 6 e ) 。i e e e 8 0 2 1 6 标准系统目前大约有8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 共七个标准，并在不断的发展演进中 1 】。2 0 0 1 年，i e e e 8 0 2 1 6 标准的主要支持者成立了w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 组织，其组织的第l 页第1 章绪论基本目标与w i f i 组织类似，提供一种在城域网一点对多点的多厂商环境下，可有效互操作的宽带无线接入手段。为了对抗w i m a x ，2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 组织决定发展新的系统，称为长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，简称l t e ) ，它的目标是对抗w i m a x 竞争，打造超越w c d m a 和t d s c d m a 的新一代无线通信系统。与3 g 相比，l t e 更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。1 2w i m a x 与l t e 技术现有的主要频段和应用由于历史和公司利益的原因，全球各个国家的无线通信标准和频段是比较混乱的，很难找到一个完全兼容所有国家无线通信现状的标准。为了促进不同国家之间通信系统的相互兼容和漫游，i t u ( 国际电信联盟) 与3 g p p 组织做了很多努力和标准划分。1 2 1i t u 与3 g p p 对于频段的划分i t u 组织在i t u ri m t ( 3 g & 4 g ) 文件中对于第四代通信标准划分出了如下的频段：3 4 3 6 0 h z2 0 0 m h z 带宽，2 3 2 4 0 h z1 0 0 m h z 带宽，6 9 8 8 0 6 m h z1 0 8 m i - i z 带宽，4 5 0 4 7 0 m h z2 0 m h z 带宽，进一步的在对于n g m n ( n e x to e m a t i o nm o b i l en e t w o r k s ) 的定义中，设立了i t uw r c 0 7 规范，将全球划分为三个区：第一区：欧洲，中东和非洲，分配了7 9 0 8 6 2 m h z 的频段第二区：美洲地区( 巴西除外) ，分配了6 9 8 8 0 6 m h z 的频段第三区：东亚，大洋洲地区，包括日本，韩国，新西兰，中国，新加坡，菲律宾和孟加拉，分配了7 9 0 8 6 2 m h z 的带宽。由w r c 0 7 将i m t - 2 0 0 0 与i m ta d v a n c e d 统一为i m t 标准，而l t e 属于i m t 2 0 0 0 技术。3 g p p 组织更进一步的将全球通信频段按照成对( f d d ) 与不成对( t d d )划分成了1 7 个成对频段和8 个不成对频段，如表1 1 和表1 2 所示表1 1 对称频段划分序号频段( m h z )带宽( m h z )上行( m n z )下行( m i - t z )l2 1 0 02 x 6 01 9 2 0 1 9 8 02 1 l o 一2 1 7 0第2 页21 9 0 02 x 6 018 5 0 1 9 1 01 9 3 0 1 9 9 031 8 0 02 x 7 51 7 1 0 一1 7 8 51 8 0 5 1 8 8 041 7 0 0 2 1 0 02 x 4 51 7 l o 一1 7 5 52 1 l o - 2 1 5 558 5 02 x 2 58 2 4 8 4 98 6 9 8 9 468 0 02 x 1 08 3 0 8 4 08 7 5 8 8 572 6 0 02 x 7 02 5 0 0 2 5 7 02 6 2 0 2 6 9 089 0 02 x 3 58 8 0 9 1 59 2 5 9 6 091 7 0 02 ) ( 3 51 7 5 0 1 7 8 51 8 4 5 1 8 8 0l o1 7 0 0 2 1 0 02 x 6 01 7 l o - 1 7 7 02 1 1 0 2 1 7 01 11 5 0 02 x 2 51 4 2 7 9 1 4 5 2 91 4 9 5 9 1 5 0 0 91 27 0 0 ( 美国)2 x 1 86 9 8 7 1 67 2 8 7 4 61 37 0 0 ( 美国)2 x 1 07 7 7 7 8 77 4 6 7 5 61 47 0 0 ( 美国)2 x 1 07 8 8 7 9 87 5 8 7 6 81 77 0 0 ( 美国)2 x 1 27 0 4 7 17 3 4 7 4 61 88 0 0 ( 日本)2 x 1 58 1 5 8 3 08 6 0 8 7 51 98 0 0 ( 日本)2 x 1 58 3 0 8 4 58 7 5 8 9 0表l - 2 不对称频段划分序号频段( m a z )带宽( m n z )具体频率( m h z )3 3g m t st d d l1 x 2 01 9 0 0 1 9 2 03 4i t m t s r d d 2l x l 52 0 1 0 - 2 0 2 53 5u s l 9 0 0 u l1 x 6 0l8 5 0 1 9 1 03 6u s l 9 0 0d l1 x 6 01 9 3 0 1 9 9 03 7u s l 9 0 01 x 2 01 9 1 0 1 9 3 03 82 6 0 0l x 5 02 5 7 0 2 6 2 03 9l a m t st d d1 x 4 01 8 8 0 1 9 2 04 02 3 0 0l x 5 02 3 0 0 2 4 0 0我国目前的t d l t i ：技术的预分频段就处于不对称3 8 频段，为2 5 7 0 - 2 6 2 0 m h z 的5 0 z 频段中。第3 页第1 章绪论1 2 2美国、欧洲与其它地区美国和韩国是开展w i m a x 技术研究和推广比较早的两个地区，韩国的w i m a x 技术称为w i b r o ，工作在2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 频段，技术上比较专有，传输带宽也与现有的w i m a x 标准有所不同。美国早期的w i m a x 系统都是工作于3 4 3 6 g h z 频段的，定位于固定通信，由于移动w i m a x 标准的出现，后期的w i m a x 技术主要移向了2 5 2 6 g h z 频段，并已有成功的商业网络应用。美国目前为4 g 通迅划分了两个频段，( 原广播) 的7 0 0 m h z 频段和2 4 9 6 - 2 6 9 0 m h z 频段，后者己用于w i m a x 组网，而前者美国a t & t 公司购买了 7 0 0 m h z 的c 频段用于l t e 网络的建设。日本目前划分出了2 5 3 5 2 6 3 0 m i - i z 的频段用于t d d 应用，目前已有两个3 0 m h z 的频段用于w i m a x 与p h s 通讯。1 2 3中国地区由于历史的原因，我国的通信频段划分比较复杂，因此也为4 g 通信的频段划分制造了不少困难，目前中国移动已经开始了在e 频段上2 3 2 0 - 2 3 7 0 m h z 频段上的室内t d l t e 试验，还向工信部正式申请了2 5 7 0 2 6 2 0 m h z 频段用于室外t d l t e 组网的建设，目前申请己得到批准。此外，在香港，中国移动以5 亿港元买下了2 5 5 0 2 5 7 0 和2 6 7 5 2 6 9 0 两个共3 0 m h z 的带宽，此后也有可能用于t d l t e 的通讯使用。综合前文所述，可以看到w i m a x 的主要应用在日本和美国，应用的频段主要为2 5 - 2 6 g h z 和3 4 3 6 g h z 两个频段上，而l t e 按照工作方式分为f d d 与t d d 两种，在欧洲、日本和美国等国家主要采用f d d 的方式，工作频段为7 0 0 -9 0 0 m h z ，在中国，t d d l t e 的前期工作频率将主要在2 5 7 0 2 6 2 0 m h z 之间5 0 m h z 的频段上，本文的主要设计器件也将以这些频段为主，主要关注于我国的t d l t e 频段。1 3w i m a x 与l t e 通信系统的特点和区别点为了实现更好的性能，w i m a x 与l t e 技术都采用了一些新的技术特点：1 3 1o f d m a 技术o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 一正交频分多址) 是一种多址技术。目前w i m a x 与l t e 的上行链路都支持o f d m a 。第4 页第l 章绪论o f d m a 是o f d m 技术的演进。o f d m a 在利用o f d m 对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的一种传输技术。用户可以选择信道条件较好的子通道( s u b c h a n n e l ) 进行数据传输，一组用户可以同时接入到同一个信道。o f d m a 多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。o f d m a 系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。由于不同用户占用互不重叠的子载波集，在比较理想的同步情况下，系统中消除了多户间干扰，即无多址干扰( m a i ) 。o f d m a 方案可以看作将总资源( 时间、带宽) 在频率上进行一种分割，从而实现多用户接人。虽然有如此多的优点，但是o f d m a 技术对于射频传输系统提出了更高的要求。比如w i m a x 系统的调制输出e v m 要求就高于w i f i 系统5 d b 左右，同时为了实现更远的传输距离，w i m a x 系统的最大输出功率也达到了2 3 d b m 左右，这无疑对于功率放大器输出和混频器是一个挑战。1 3 2m i m o 技术m i m o 技术表示多输入多输出。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出( s i s o ) 的当前或旧系统一次只能发送或接收一个空间流。m i m o 允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收数据。利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用m i m o 信道提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 信道提供的空间分集增益。w i m a x 系统核心技术之一就是是空时编码，带有多个发射机、接收机及和天线的组合。在接收端将不相关的接受信号进行处理这样可以提供额外的信息补偿增益。传统的单波束无线电遇到深衰落的时候需要4 0 d b ，通过4 个不相关信号处理后，衰落深度可降至1 5 d b 。虽然4 g 技术采用m i m o 技术增强了抗衰落能力，提高了信道的容量，但是多天线接收发射系统无疑对于射频前端也是一个挑战，多个发射机和接收机大大增加了射频前端的复杂度。第5 页第1 章绪论1 3 3 + 两者区别l t e 技术与w i m a x 的主要区别在于l t e 技术在上行链路采用了s c f d m a技术，这样l t e 的上行链路本质上讲是单载波，与多载波相比，可以有效降低峰均功率比( p a p r ) 问题。而w i m a x 的上行链路仍然采用了o f d m a 技术，主要的原因是w i m a x 技术阵营认为上行出现峰值传送的机会很小，不值得为此付出整体传输效率的降低。此外两者在空口接口上的定义自然有一定的区别。1 4射频前端微波电路主要研究方向主流的微波集成电路主要分为两类：单片微波集成电路( m m i c ) 是一种把有源和无源元器件制作在同一半导体基片上的微波电路，其工作频率从1 g i - i z到10 0 g h z ，广泛用于目前各种技术和电路之中。与其相对应的是混合微波集成电路( h m i c ) 2 】。表l - 3 对两种电路进行了比较：表1 3 两种不同的微波电路比较m m i ch m i c成本随着数量急速下降，对于较为复杂的大对于简单电路比较便宜，比较依赖自动化封批量生产电路比较经济装工艺可靠性比较高由于采用了多种封装形式，可靠性相对较低成本由电路面积决定，必须尽可能减小芯片基片比较便宜，同时可以使用大量微带传输面积，电路必须小型化。线。受工艺影响大，可选元器件很有限可以自由选择使用的元器件生产制造周期比较长，为1 3 个月可在1 周内完成，可多次重复调试生产初始设计生产投资很大，风险比较高初始设计生产投资较小，风险较低1 4 1多芯片封装技术多芯片模块( m c m ) 是目前实现射频应用最理想的解决方案，由于目前工艺和材料的限制，目前在无线通信系统，需要使用不同的实现技术才能获得理想的性能，因此片上系统的概念是不适用的。m c m 方法将系统分解成为众多的单元功能部件，用最好的元件去实现最好性能的分部分，比如使用c m o s 技术实现数字功能芯片，p h e m tm m i c 实现射频功能芯片，然后采用互连线，偏置电路，滤波器等无源元器件等等，将这些芯片集成为一个独立的功能模块。目前，这是一种将各类元器件集成为一个模块的最实用的技术方法，这一方法通常也被称为s 印( s y s t e mi np a c k a g e ) 与片上集成的方法s o c 相对应。第6 页第1 章绪论目前有三种主要的m c m 技术：共烧多片陶瓷基板技术的m c m c ；l 2 1 。( 1 ) 使用薄膜技术的m c m d ；( 2 ) 使用( 3 ) 使用m c m 层压结构技术的m c m m c m d 技术主要是在硅基板或砷化镓上生成的薄膜( t f ) 无源器件，它使用熟知的半导体工艺制成。这些器件有时也被称作集成无源器件( i p d ) 3 】。它们不但具有小的寄生效应和电性能波动，同时还有较高的电容容量。这种特性为其应用于更小的模块封装铺平了道路。m c m c 技术的主要代表就是l t c c ( 低温烧结陶瓷) 技术。所谓低温共烧陶瓷( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ，l t c c ) 技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成非常薄而且均匀致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并可以将多个无源元件埋入其中，然后通过过孔连接叠压在一起，在9 0 0 烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装i c 和有源器件，制成无源有源集成的功能模块【4 】。l t c c 技术使用多层结构来实现无源元件，例如电阻电容电感或相应的功能块。每一层的介电层厚度从2 0 9 m 到1 0 0 p m ，整体1 0 2 0 层的堆叠厚度为0 5 m m 到l m m 。每一层的介电常数一般为7 0 - 1 1 o 。电感通常是通过设计规则允许的螺旋式来实现，随着电感值的大小，有时可能穿过许多层。电容也是在多层中制成的，可以具有较大的容值。薄膜阻挡层也可以加在陶瓷层间制成电阻。在多层结构中，螺旋式和厚金属层制成的电感可以具有较高的q 值。在工作频率为1 0g h z 到6 0g h z 的情况下，l t c c 封装一般可以轻松达到3 0 o 5 0 0 ，这使得在l t c c 基板上实现低插入损耗的r f 滤波器没有太多的困难。l t c c 多层结构实现的夹层式电容器，可以为射频系统提供足够的电容，同时具有较高的击穿电压和较好的防静电性能。m c m - l 技术中层压板是通常所称的印刷电路板( p c b ) ，已经被广泛的使用于封装载体，它们至今仍牢牢占据着封装产品中很大的份额。一般来说，r f模块封装只需要两到四层已经足够。芯片堆叠封装技术也开始变得非常流行，目前已经可以看到利用金线键合连接的多层芯片( 7 - - 8 ) 垂直堆叠封装。这种封装技术极大的减小了模块尺寸，因而降低了应用产品的成本。目前的封装方案中层压基板和l t c c 基板，前者的尺寸相对较大，原因是在基板中无法嵌入很多的无源器件，特别是大容量电容；后者相对而言可以在第7 页第1 章绪论基板中制作足够的高品质因子的电感和电容。但是相对厚度较大，同时制作工艺的公差也为设计和生产带来了比较大的麻烦。目前业界的趋势是还需要制作越来越小的无源器件，继续缩小模块或封装体的整体尺寸。薄膜器件技术无论在硅基板或砷化镓基板上仍然是具有最高的电容密度的技术 5 。通过选取适当的基板以及使用厚金属层( 如5 1 0 i _ z m ) ，高q 电感也可以制作在i p d 中。而且大多数半导体制造厂家都了解i p d 的制作流程，因此这种流程具有较高的性价比。使用薄膜器件技术的射频功能块，如滤波器、双信器( d i p l e x e r ) 、平衡不平衡变压器( b a l u n ) 等，具有非常小的外形尺寸和很薄的产品厚度，因而，它们可以广泛的使用于制造小型、紧凑的射频模块或封装。1 4 2高性能片上集成器件近年来微波电路制造中的很大一个进步就是r fm e m s ( 微机电系统) 的飞速发展。m e m s 起源于2 0 世纪7 0 年代，最初是用来制造各种传感器，8 0 年代，创造出了低频应用的m e m s 开关，目前m e m s 已经广泛应用于r fm e m s开关、变容器和电感器，微加工传输线、高q 谐振器、滤波器和天线，f b a r( 薄膜体声谐振器) 和滤波器，r f 微机械谐振器和滤波器等方面 6 。目前在移动射频系统中开始得到广泛应用的就是基于m e m s 介质谐振器的b a w ( 体声波) 滤波器，其中比较成熟的是f b a r ( 薄膜体声波谐振器) ，如图卜1 所示 7 ，其由三个基本单元组成：产生谐振的压电薄膜、施加电场的电极以及建立驻波的反射面。图1 1f b a r 滤波器结构第8 页猜叠第1 章绪论f b a r 工作的主要原理是输入的电信号由压电薄膜的逆压电效应转化为声信号；声波在上下界面内谐振时，阻抗表现为最大或者最小值；最后由压电薄膜的压电效应再次输出，由于在谐振频率上面声波的损耗最小，这样通过级联即可实现带通滤波器。f b a r 滤波器的q 值数量级可以达到一千以上，非常惊人，相对于常见的l t c c 陶瓷滤波器和声表面波滤波器( s a w ) ，f b a r 滤波器插入损耗和l t c c 滤波器相当，体积更小，带外抑制更好，而且可以实现单片集成，唯一的缺点是目前制造成本还比较高。f b a r 的发展使得一直困扰着业界的高选择性滤波器( h i g hr e j e c t i o nf i l t e r )实现成为可能，由于目前频段资源紧张，各种通讯技术在频段之间的间距越来越小，其正迅速在移动式通迅系统中得到越来越多的运用。硅基技术目前实现的l c 滤波器的性能由于受到组成元件q 值的影响，基本还低于l t c c 技术的水平，与s a w 、b a w 实现的高性能还无法比较，但是由于性价比的优势，比较适合实现对性能要求不十分苛刻的宽带滤波器和低通滤波器。1 4 3基本无源器件制作的流行技术为了后文中集总参数元器件的研究，本小节将简单论述一下射频电路中基本无源器件电阻、电容、电感的制作和计算方法，特别是后文将要采用的m i m片上电感，而片上电感将在第二章有更深入的论述和研究。在m m i c 中，电路功能是通过集成电阻、电容、电感等无源器件和有源器件在同一片基片上实现的。下面介绍一下集总式无源器件的实现。电阻器，一般是通过在在半导体基片上沉积一层薄型铬化镍( n i c r ) 或者氮化钛( t a n ) 金属层来实现的，电阻的阻值则由片上电阻自身的几何形状来决定。如图1 - 2 所示。电流流向电阻值可以由式( 1 - 1 ) 给出：图1 - 2 片上电阻的实现图第9 页膏金属膜、半导体或者多晶硅层第l 章绪论c ( 用= 导小- 3 ) a 。+ a 2 r = r 讪万s + 2 r( 1 1 )其中r 曲是金属薄膜的表面电阻，定义为d s q u a r e ，欧姆，平方范围s 是电阻器两个端子之间的长度，w 是电阻器在垂直电流方向上面的宽度尺是电阻器每个端子金属接触点的固定电阻值对于射频频段，片上电阻可以由图1 3 的等效电路来表示。cr图1 - 3 片上电阻等效电路图为了节省芯片面积，通常使用蛇形走线电阻来实现较大的阻值，如图1 - 4 所示，此类电阻的计算可以按照方块理论计算，每方块电阻值为r ，转角处方块电阻值为0 5 0 6 r ，含有接触孔的方块电阻约为0 1 4 r 。m e t a l l图1 4 蛇形走线实现的片上大电阻电容器，实现一般有两种方法；金属绝缘层金属( m i m ) 电容器与交指型电容器。m i m 电容器是通过在两个金属板之间填充一层介质( 通常为氮化硅、聚酰亚胺、二氧化硅等材料) ，形成一个完整的金属一绝缘层一金属电容器，如图l - 5所示。第1 0 页第1 章绪论图1 - 5m i m 电容器的实现其电容值可以由式( 1 2 ) 给出：c = a e o 6 ,( 1 2 )d其中a 为顶层金属层面积，d 为电介质层厚度，s ，为电介质相对介电常数，为自由空间的介电常数。对于常用的射频频段，m i m 电容器的等效电路模型如图1 - 6 所示。cl i_ _ l _ _ _ _ l j - _ o l _ _ _ - - _ 一g图1 - 6m i m 电容器等效电路模型交指电容器是由一组平行并交错排列的，长度为l 的薄导体带构成，这些导体带交错排列后的总宽度为w ，如图1 7 所示，那么其电容值可由式( 1 - 3 ) 给出：c ( 旷) = 孚，【( _ 3 ) 4 + 4 ( 1 - 3 )其中4 和4 分别为两个常数。第l l 页第1 章绪论图1 7 交指型电容器的结构电感器，根据需要的电感量的不同，m m i c 中的片上电感可以由带状电感、环形电感、螺旋电感器来实现，在第二章中，我们将有具体的分析和论述。1 4 4有源器件制作的流行技术、本文的重点是无源器件的设计，但是从系统角度考虑，它们总要和有缘器件互联，因此，此处简单介绍一些有源器件制作技术。m m i c 微波电路的有源器件技术按照基板基本可以分为硅基和砷基两种，g a a s 材料最早被用于制造m m i c 电路，目前砷化镓的主要技术有砷化镓金属半导体场效应管( g a a sm e s f e t ) ，砷化镓高电子迁移率效应管( g a a sh e m t ) ，砷化镓异质结双极性晶体管( g a a sh b t ) ，而近年来基于硅基片的技术特别硅锗( s i g e ) 技术有了很大发展，其主要有硅双极性晶体管，锗硅异质结双极性晶体管( s i g eh b t ) ，硅互补金属氧化物半导体器件( s ic m o s ) 等等，此外基于磷化铟的h e m t 和h b t 也有一定的发展。目前，在高功率输出的功率放大器中，双垂直沟道金属氧化物半导体( l d m o s ) 、氮化镓( g a n ) 、碳化硅( s i c ) 基技术也日益成熟，成为基站应用的主流技术。图1 8 展示了有源器件的最新进展，欧洲研究机构i m e c 在一项关于g a n制造的研发计划中，在8 英寸的硅晶圆上生长出了器件质量级的g a n a i g a n层，可用于制作h e m t 功率器件，这样将来就可以使用c m o s 工艺制作大功率射频前端硅基板m m i c 。第1 2 页图1 8 基于兼容c m o s 工艺硅衬底的g a n 功率器件1 5论文的结构和主要贡献1 5 1论文的结构本论文的结构安排如下：第l 章( 本章) 对于第四代无线通信系统进行了分析，说明了本文研究工作的开展的基础，对于流行的微波集成电路工艺和前端无源器件发展予以了介绍和分析。本章的最后给出了论文的章节安排，并对论文的主要工作及贡献进行了简要介绍。第2 章对于微波集成电路的重要组成部分片上电感进行了深入的分析，对于硅基电路实现高质量片上电感的方法进行了研究，此外引入了2 种非常有效的先进的制作工艺，并进行了设计仿真比较。第3 章对于实现w i l k i n s o n 功率分配器进行了深入的研究，得出了自己的设计结果。第4 章主要致力工作在w i m a x 与l t e 的各种频段的双信器的实现和优化，在电路和版图设计上都进行了优化和仿真。第5 章对全文进行了总结。第1 章绪论1 5 2论文的主要贡献本论文的主要贡献是：第一，对于现有流行的各种m m i c 技术予以了分析和深入探讨，对于各种技术的优缺点和实际应用中的限制给出了比较简明的说明。第二，对于硅基平面螺旋电感进行了比较深入的分析和研究，对于长期以来困扰硅基板的片上电感品质因数引入了两种非常有效的工艺方法，并在实际版图仿真中得到了验证。第三，设计了多种微波无源器件，采用a g i l e n t 公司的a d s 软件进行了电路级和版图级的仿真和优化，并且部分器件和实际流片结果进行了比对，结果比较接近。设计具有良好的重复性。第四，本文所设计的各种元器件设计在尺寸上具有很小的产品尺寸，国内综合生产成本非常低廉，并可以通过各种认证，由于与传统的模拟i c 代工商工艺比较吻合，在解决好后端封测工艺的基础上非常容易转化为产品，具有很高的实用性。第1 4 页第2 章片上电感的设计仿真与优化第2 章片上电感的设计仿真与优化微波集成电路的主要特点就是使用r 人量的无源器件，使得微波集成电路与传统的集成电路在设计与版图布局上有了显著的区别。在微波集成电路中，无源元器件主要用于实现阻抗匹配、滤波、功率再分配、移相、直流偏置等等功能。在较低的频段( 厘米波) ，传输线元件将会显得较大而不符合版图设计尺寸的要求。为了解决这个问题，电路版图设计中基本采用集总式元件等效网络或者集总分布小型化技术来实现各种无源元器件。图2 1 是一个线性放大器的版图照片【2 】，可以看到螺旋状的片上电感占据了最大的版图面积，随着i c 制作技术的不断提高，单位面积的晶体管的数量不断提高，成本也随之降低，但是电感这些器件的面积并没有缩小，由于版图面积是决定芯片制造成本的主要因素，因此研究如何在保证性能的前提下尽可能缩小电感的面积就成了微波集成电路非常重要的课题。图2 1 线性放大器版图本章将介绍片上电感的实现与计算，特别是片上螺旋电感