1、 硕士学位论文移动设备射频前端器件的小型化与集成化作者姓名： 指导教师: 中国科学院上海高等研究院 学位类别: 工学硕士 学科专业: 微电子与固体电子学 研究所: 中国科学院上海高等研究院 年 月Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 I致 谢值此论文完成之际，在这里向在我研究生阶段，对我基于悉心指导与帮助的各位师友致以最衷心的感谢！首先，要感谢我的导师研究员，在论文的整体思路，结构的实现，细节的把握上给予耐心的指导与帮助。同时还要感谢李晓辉研究员将我带入射频领域，在课题上给与的耐心指导和帮助，并利用其高
2、超的学术能力，为我指点迷津。感谢一起陪伴我渡过研究生岁月的各位同学，感谢隆万洪、徐宽茂、蒋凯旋等同学在学习和生活上的无私帮助。还要衷心感谢我的校外导师，展讯通信有限公司的黄文韬和赵国涛。在一年半的实习工作中，在他们的耐心指导下，使我在极短的时间内，实践了以往相当长时间在书本上学习的知识，同时还学到了很多书本上学不到的知识。为我完成论文，成为合格的工程师，走上工作岗位打下了良好的基础。最后要特别感谢我的父母，感谢我的父母，感谢他们多年来对我默默地付出与持之以恒，无微不至的关心，祝他们永远健康快乐！年 月于上海高等研究院Error! No text of specified style in do
3、cument.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 III移动设备射频前端器件的小型化与集成化（微电子与固体电子学）指导老师： 研究员摘 要随着移动通信技术日新月异的发展，用户对手持设备的便利性和功能的多样化提出了更高的要求。在这种情况下，采用集成无源器件（Integrated Passive Device IPD）设计无源器件受到了广泛的关注。硅基衬底工艺损耗高，元件自身复杂性大，如何降低损耗，提高器件性能成为了 IPD 技术研究重点。本文综合分析了衬底损耗模型,对各种降低硅基衬底损耗和金属层损耗的方法进行了介绍，对影响电感特性的各种因素分别从几何参数和工艺参数两个维度进行了研究。在分析电感
4、和电容的等效模型、影响器件 Q 值的因素的基础上，对无源器件的电感、电容等基本元件的特性进行仿真研究。最后利用集成无源器件工艺设计出小型化、高性能、易集成的四种无源器件：滤波器、双频器、功率分配器、天线匹配网络。首先对滤波器进行理论分析，基于 IPD 工艺设计了一款巴特沃斯低通滤波器。该滤波器的面积大小为 1200800um，在 0.8GHz2.8GHz 的插入损耗小于 1.5dB,在 4.7GHz13GHz 的带外衰减大于 30dB。利用仿真工具对器件和版图进行优化，设计的出的滤波器体积小、性能好、成本低。其次对双频器的理论和指标、静电防护进行了分析研究，设计出了具有 ESD 防护功能的小型
5、化的双频器。这个双频器在 GPS 频段的插入损耗小于 1.1dB，回波损耗平均为 10dB，隔离度大于 22dB;在 ISM 频段的插入损耗小于 1.2dB,回波损耗为11dB， ,隔离度大于 30dB；双频器的面积是 1100um950um。在 HBM 模式下可以经受 2000V 电压的冲击。再次对威尔金森功率分配器的理论进行了研究。采用等效电路取代 1/4 波长传输线，并基于硅基薄膜 IPD 工艺设计了小型化中心频率为 1.82GHz 的 3dB 威尔金森移动设备射频前端器件的小型化与集成化中国科学院上海高等研究院博士/硕士学位论文IV功率分配器。实测结果显示，通带内插入损耗约为 0.7d
6、B，隔离度 25dB，性能接近威尔金森功率分配器，整体面积为 1.2mm0.8mm，体积远小于微带线制作威尔金森功率分配器 40004000mm 左右的面积。最后对频率可重构天线进行了研究，综合分析了目前频率可重构天线的现状，选择匹配可重构天线进行研究。论文提出用 IPD 设计天线匹配模块，并用 MEMS 开关切换匹配网络。最后设计了用于天线的两个匹配网络。关键词：IPD、集成化、滤波器、双频器、ESD、功率分配器、天线匹配Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 VThe miniaturization
7、and integration of mobile devices RF front components Zhenchuan.wuDirected by: Professor Zhang AbstractWith the repid development of movable communication, people has put forward higher requirement for the device convince and function. In this situation, the technology for passive device has caused
8、extensive concern, one of the promising technology is Integrated Passive Device (IPD). But the IPD process also has disadvantages itselfhigh substrate losses, also the device is high related to the material itself, in order to solve these problem, people has been focused on how to decrease the losse
9、s and how to improve the performance of the device. This paper analysis the lose model of IPD process, then introduce how to reduce the losses in process level, then analysis the Geometric parameters of the device which would influence the performance of device. Based on those studies, this paper de
10、signed four devices: filter, diplexer, splitters, antenna matching network. What this paper do are as follows:First, this paper take a deep research of the theory of Filter design, based on the theory of Butterworth filter, a filter has been designed for RF model of mobile phone. The size of the fil
11、ter is 1200 800um, the insertion loss in 0.8GHz-2.8GHz is less than 1.5dB, and the insertion loss in 4.7GHz-13GHz greater than 30dB. As a result of IPD technology and layout optimization in the simulation for the device, this filter has advantages such as small size, good performance and low cost th
12、an normal filter.Then study the theory of diplexer, because of the needs of ESD protection ,this paper study the theory of ESD protection, then final design a diplexer for GPS / WIFI band with 移动设备射频前端器件的小型化与集成化中国科学院上海高等研究院博士/硕士学位论文VIan integrated electrostatic protection circuit; In GPS band ,the d
13、iplexer has a insertion loss less than 1.1dB, return loss of -10dB, isolation bigger than 22dB; in 2.4GHz ISM band has a insertion loss less than 1.2dB, return loss of 11dB ,isolation bigger than 30dB; The diplexer size is 1100um 950um. When tested in HBM mode, it can withstand the voltage of 2000V.
14、 Such diplexer can be used in many handheld and portable devices.Then learn and take a research on Power Divider, at last design a Wilkinson power divider which center frequency is 1.8GHz ; The size of the power divider is 1200 800um, The test result of out-of-phase power divider shows that the inse
15、rt loss is less than 4.3dB and the isolation is larger than 25dB.Then take a research on the theory of frequency changeable antenna, the final choice is frequency reconfigurable antenna for mobile phone. Then come up with an idea that use a MEMs switch to witch the IPD matching network idea.at last
16、designed two band matching circuit as an example for the B1 and B40 frequency.Key words: IPD、integration 、filter 、diplexer、ESD、power divider、matching Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 VII目录致 谢 .I摘 要 .IIIAbstract .V目录 .VII第一章 绪论 .91.1 课题的研究背景 .91.2 国内外发展现状 .101.2.1 射频前端
17、系统中的无源器件 .101.2.2 IPD 技术发展 .111.2.2.1 硅离子注入法 .121.2.2.2 衬底刻蚀 .121.2.2.3 厚铜工艺 .131.2.2.4 薄膜 IPD 技术 .151.3 基于硅基 IPD 工艺的封装 .151.4 仿真工具简介 .151.5 本文的研究内容和结构安排 .16第二章 IPD 无源器件设计理论基础 .182.1 电感的设计 .192.1.1 螺旋电感的技术指标 .192.1.2 电感损耗模型分析 .202.1.3 电感的物理模型及其分析 .212.2 电容的设计 .262.3 IPD 无源器件的设计 .28第三章 滤波器设计 .293.1 滤
18、波器的基本理论 .293.1.1 滤波器的分类 .293.1.2 滤波器的主要性能参数 .303.1.3 滤波器的设计原理 .313.1.4 LC 型滤波器传输零点的形成 .343.2 滤波器的设计与测试 .35第四章 具有静电防护功能的双频器的设计 .394.1 Diplexer 的设计原理 .394.3 静电防护的设计原理 .404.2.1 理想 ESD 网络的特性 .404.2.2 ESD 防护电路设计原理 .414.2.2.1 设计原则 .414.2.2.2 匹配法 .424.2.2.3 无源器件替代 ESD 网络器件法 .434.2.2.4 消除法 .43移动设备射频前端器件的小型化
19、与集成化中国科学院上海高等研究院博士/硕士学位论文VIII4.2.2.5 电感的作用 .444.3 Diplexer 的性能指标 .444.4 双频器的设计和分析 .45第五章 功率分配器的设计 .515.1 Wilkinson 功率分配器的设计原理 .515.2 功率分配器的性能指标 .545.3 功率分配器的设计原理 .555.4 功率分配器的设计与测试 .57第六章 天线的 tuner 的匹配设计 .616.1 手机天线的性能指标 .616.2 可重构天线 .636.3 天线匹配可重构天线 .656.4 匹配的设计原则： .656.5 天线调谐器的匹配的设计 .65第七章 总结与展望 .
20、717.1 本文研究总结 .717.2 展望 .71攻读硕士学位期间发表的成果 .73参考文献 .75Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 9第一章 绪论1.1 课题的研究背景无线通信在人们的信息交流中，特别是在即时短距离通信和移动通信中，有着无与伦比的优势。现代无线通信技术的迅速发展使得人们快速进入了移动互联时代，人们对移动手持设备无时无刻随时随地提供的高速信息服务和即时通信的能力的需求变得愈来愈迫切。为了满足
21、人们对于高速数据传输的要求，各种各样的技术规格应运而生，已经商用的 4G 的网络的理论下行速率更是高达 150Mbps。随着移动互联网的兴起，更智能化，人性化，个性化的智能终端已经逐渐渗透到人们的生活，给人们的生活带来了极大的方便。巨大的市场蕴含着巨大的商机，为了抢占市场先机，手机供应商不断提供有更多功能的手机，全网通的手机逐渐成为了未来的手机标配，目前各大手机厂商如三星、苹果等新推出的手机都具备多模式工作的能力，并且手机供应商在减小手持终端体积、重量和降低成本上面不竭余力。现在手持终端的功能、复杂度都在增加，但是尺寸和价格却一直在往下掉。有源器件部分受半导体物理极限限制，慢慢的脱离了摩尔定律
22、而不再无限缩小。在当前的市场趋势下，WIFI、GPS 等功能已成为了手机的标配，在小型化的同时，市场要求手机的功能保持多元化，因此手持终端射频部分的缩小与集成逐渐成为了当前电子行业的热点。从 2014 年到 2015 年，智能手机出货量从 11.67 亿部增加到 12.93 亿部。作为无线射频前端必不可少的无源器件，其需求也越来越大。一般来说，电子器件中无源器件和有源器件的比例为 10:1。常见的电子产品如路由器、手机和智能手表等，无源器件占用了 PCB 上 50%左右的焊点 1，占用面积的同时，还对系统的可靠性造成一定的影响。从生产成本角度来看，无源元件数量和总成本之间成正比关系。因此在设备
23、对无源元件使用量日趋增长的前提下，如何去降低无源元件的成本，减小无源器件占用空间，甚至提高无源元件的性能，是当前最重要的课题之一 2-3。IPD（Inter grated Passive Devices，集成无源器件）技术，可以集成在多种电子设备中，如传感器，射频收发机等，利用 IPD 工艺，我们可以实现如阻抗匹配电路，滤波器、耦合器、巴伦和功率合成器等大部分的无源器件 4-5-6-7。在保证性能的前提下，IPD 工艺具有小型化、低成本和高集成度的的优势 8。在过去几年当中，IPD 技术已经成为 SIP(系统级封装)的一个重要的实现方式。IPD 技术将为“摩尔定律”的未来铺平道路。综上所述，高速发展的移动网络和人们日益增长的数据需求对移动设备的功能、功耗和集成度有了更严格的要求。在大时代的背景下，小型化、低成本、低功耗及
