【《射频收发组件相关理论基础综述》4100字】

射频收发组件相关理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u18138射频收发组件相关理论基础综述 1185201.1发射通道结构分析 1204931.2接收链路结构分析 2316301.1.1数字接收机 3152601.1.2零中频接收机 4216161.1.3超外差接收机 4237851.3混频器 4288831.4关键技术 6313661.4.1基板高温烧结 6257991.4.2共晶焊接 7186631.4.3键合工艺 9收发组件将信号收发链路中全部小模块拼装在一个盒体中实现其功能。收发组件主要由本振源、发射通道以及接收通道[17]。其中本振源在组件中最为关键，其主要作用是产生收发通道调制解调以及混频所需要的本振信号，目前在实际工程中，主要应用振荡器、DDS（DirectDigitalSynthesizer）以及锁相环技术实现。1.1发射通道结构分析发射链路在收发组件中的功能是将携带信息的基带信号（BasebandSignal，BS）或者已调制的中频信号（IntermediateFrequency，IF）与本振信号（LocalOscillator，LO）进行上混频至相对应的射频信号，通常经过驱动功率放大器将射频信号功率放大到能够提供天线发射信号的大功率[18]。原理框图如下图1.1所示。图1.1发射链路原理框图从发射通道的工作原理框图中看出发射通道中关键器件或模块主要是混频器、本振信号源、功率放大器和最终发射信号的天线。通常在工程中主要考虑发射通道技术指标如下：发射信号频率、带宽、通道增益、输出1dB压缩点、带内平坦度、杂散抑制以及谐波抑制等等。整个发射链路的性能好坏的最佳点是均衡了各项指标的工作点。1.2接收链路结构分析接收链路在收发组件中的功能是将天线接收到的射频信号通过低噪声放大器（LowNoiseAmplifier），和本振（LocalOscillator，LO）信号进行下混频至相对应的中频信号，经过滤波放大后，符合相应的技术指标[19]。原理框图如下图1.2所示。图1.2接收链路原理框图从上面的原理框图可以知道，接收通道中关键器件主要有天线、混频器、本振信号源、低噪声放大器。通常在工程中主要考虑发射通道技术指标如下：带宽、通道增益、接收灵敏度、带内平坦度、杂散抑制、三阶交调、镜像抑制、噪声系数等等。整个接收链路的性能好坏的最佳点是均衡了各项指标的工作点。现在而言零中频接收机、数字接收机和超外差接收机等等是我们较为常用的下变频选择方案。下面将简单介绍几款接收机架构。1.1.1数字接收机数字接收机指的是在天线的附近区域就开始进行模数转换和数字信号处理的接收机[20]。在数字信号处理过程中使用的数字滤波器对于数字接收机的性能有很大的提高。另外，数字接收机还有缩减电路尺寸、减小功耗等优点。在频谱资源越来越紧缺的现代无线通信中，向更高的工作频率发展是接收机的唯一选择。然而，一般的数字接收机的模数转换器和数字处理芯片工作频率不是很高，或者价格十分昂贵[21]。所以即使数字接收机有着低成本、低功耗和小型化等等优点，仍然无法实现其在高频领域的用途。1.1.2零中频接收机零中频接收机接收到的射频信号频率与其自身的本振信号频率一致，下变频之后得到的信号就是基带信号[22]。此发射机主要优点是实现结构简单化，并且体积相对小低成本比较容易进行单片化设计[23]。但由于本振源产生的信号与高频信号频率接近，如果高频信号从信号的发射端反射或外泄回来后会影响本振信号，造成信号的不稳定。零中频接收机的优点是没有镜频频率，所以不需要像超外差接收机一样进行镜频抑制，但是一般上通过此发射机调制信号的频率较低，调制信号频率较高时实现起来高成本。1.1.3超外差接收机超外差接收机将接收到的射频信号进行滤波放大，再与本振信号下混频后得到中频信号。在得到中频信号后进行进一步的滤波放大处理，然后再进行一次下混频得到基带信号。其中中频信号较窄的相对带宽借助性能优良的滤波器可以实现极好的频率选择性。由于高频段的有源器件通常比较昂贵，故而可以在中频信号处理部分实现接收机的部分增益，从而有利于节约成本和提高接收机的灵敏度。经过上文描述的三种型号可以知道各有优缺点，超外差接收机同样也不可避免也有许多问题。当接收的射频信号频率与本振信号频率下混频时产生相对应的中频信号频率，但存在着镜像频率干扰。为了消除镜频干扰，选择指标优异的带通滤波器，通常会选择腔体滤波器，这样会导致模块尺寸大[24]，即便如此，还是被广泛应用在工程中。1.3混频器变频模块可以将低频的中频信号搬移至高频的射频信号，并给予射频信号足够的功率以便于后续的发射；相反，也可以将接收的小功率射频信号放大后再变频至低频的中频信号以便于后续的解调等[25]。下面将简要介绍变频过程中的关键器件混频器。如下图1.3混频器基本框架所示：图1.3混频器工作原理图设发射信号与本振信号分别为： URFt ULOt=A则射频和本振信号相乘后混频器输出为: UIFt=A2式中：如果用滤波器取出ωRF−ω混频器的主要技术指标：1.变频损耗混频器的损耗定义为：混频器的输入端的微波信号功率与输出中频信号功率之比，即： LC=输入射频信号功率输出射频信号功率 LC（dB）=10log变频损耗包括三部分：非线性电导引起的净变频损耗，二极管芯的结损耗，电路失配损耗。净变频损耗取决于非线性器件中各谐波能量的分配关系；管芯的结损耗主要由电阻Rs和电容引起；电路的失配损耗主要是由输入输出端的匹配程度决定[26]。1.噪声系数噪声系数是混频器一个非常重要的指标参数，表示输入端至输出端信噪比（SNR）衰减。如式所示，单位是dB。 NF=10logSNRRF3.隔离度混频器隔离度是指各个频率端口之间的隔离度，该指标包括信号与本振的隔离度、信号与中频的隔离度、本振与中频的隔离度等。而隔离度定义为本振功率（或射频信号功率）与泄露到其他端口的功率比值[27]： 隔离度（dB）=10lg⁡（射频信号功率泄漏到其他端口的信号功率其中信号至本振的隔离度是个很重要的指标，当一个通道的信号泄露到另一通道时，就会产生交叉干扰。当本振至信号的隔离度不好时，本振功率可能从接收机信号端反向辐射或者从天线反发射，对其他设备造成干扰，使电磁兼容指标恶化[28]。1.4关键技术组件装配关键技术包含基板高温烧结，共晶焊接，键合工艺。1.4.1基板高温烧结第一:根据基板材料的特性选择合适的外腔体材料，需要满足轻薄、良好的导热性以及与基板材料相近的热膨胀系数这三个条件。若是基板与腔体的热膨胀系数相差较大，在温度反复变化的装配过程中容易导致基板开裂。本组件的基板为FerroA6M材料，热膨胀系数为7ppm/℃，普通金属铝的热膨胀系数为23.2ppm/℃两者相差较大，因此本课题选择的是热膨胀系数更低的硅铝合金材料;第二:进行腔体、LTCC基板以及Rogers5880软基片的清洗并烘干;第三:分步进行LTCC基板、连接器以及器件的装配。由于LTCC基板内部大面积金属层较多，若是采用焊接处理，容易导致基板翘曲，因此基板采用导电胶粘接处理。装配的顺序需要满足合适的温度梯度的变化，防止下一步的装配温度影响到己经装配的器件。LTCC基板的烧结温度在600℃一900℃之间，在装配时首先采用180℃铅锡合金进行高频绝缘子和SMP射频连接器的密封焊接，然后采用150℃导电胶将LTCC基板装配到腔体上，要求结合面平整牢固，不产生翘边和变形的情况，之后采用120℃导电胶将各个器件和芯片粘接到腔体上，最后进行芯片一微带线以及微带线一微带线的金丝键合。完成装配之后进行相应的测试，确保装配的可靠性。LTCC基板是一种采用低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上打孔、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，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路基板。Rogers5880是采用聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料制造，板材内部的微纤维随机分布在材料内，可以极大保障电路应用过程和生产过程中对板材强度的要求。Rogers5880相比于目前市场上的同类材料，具有最低的介电常数，在10GHzIPC-TM标准下测量，其介电常数为1.20。同时，该板材的介质损耗在相同标准下测量，仅为0.0009，极低的介质损耗使其非常适用于要求最小化色散和损耗的高频和宽频段应用，其最高支持频率可达Ku波段甚至更高频率。此外，Rogers5880具有极低的吸湿率，仅为0.02%，该特性使它成为高湿度环境应用的理想选择。1.4.2共晶焊接焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子结合的一种加工方法。而共晶是在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物融合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。熔化温度称为共晶温度。共晶焊接则利用共晶现象实现焊接的过程。共晶焊料常见的共晶焊料有金锡、金硅、金锗等，它们通常以片状形式存在，如我单位使用的Au80Sn20（280℃）共晶焊料片，见下图1.4。图1.8Au80Sn20共晶焊料片钨铜电子封装和热沉材料，既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨铜的成分而加以改变，因而给钨铜提供了更广的应用范围。由于钨铜材料具有很高的耐热性和良好的导热导电性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，故在半导体材料中得到广泛的应用。适用于大功率器件封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等。我们使用共晶焊接工序中的钨铜正是作为砷化镓芯片的热沉材料使用的，通常称为钨铜载体，见图1.5。图1.5钨铜载体图砷化镓芯片砷化镓是一种由镓和砷构成的最重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。砷化镓不应有高温工艺，芯片温度不能超过320℃。一些砷化镓芯片有空气桥，不能操作或者触碰芯片顶部，镊子只能与芯片的边缘接触。图1.6为某型号砷化镓芯片。图1.6砷化镓芯片1.4.3键合工艺本产品使用的