十分鐘射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)

宋志國

（深圳品創(chuàng)興科技有限公司 河南省駐馬店市 463000）

為了實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信中的多點(diǎn)接入技術(shù)，對于每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)多信道的收發(fā)開關(guān)或?yàn)V波器等。除此之外，在現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，還需要有一種能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制的電路，例如編碼器，這些電路通常都集成在一個(gè)芯片上。射頻系統(tǒng)中的其他組件也可以集成在一起。所以說射頻系統(tǒng)中的這些復(fù)雜元器件都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都是由多個(gè)功能芯片和多個(gè)模塊組成的。微型射頻集成電路取得了新的突破。DARPA在其“高效能線性全硅發(fā)射 IC”的資助下，成功研發(fā)出世界上第一款可工作于94 吉赫頻率的全硅單片集成信號(hào)發(fā)射電路，該電路把原來的多塊電路板、獨(dú)立的金屬屏蔽層、多根輸入/輸出線路等單元整合為一塊僅有半個(gè)手指指甲的小片，極大地提高了 Si 基 RF 的輸出功率，同時(shí)也使 Si 基RF 與 RF 的單片集成，使其在毫米波頻段的應(yīng)用成為可能。通過本項(xiàng)目的研究，可望為新型軍事無線通信系統(tǒng)的研制和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)新型軍事無線通信系統(tǒng)的小型化、輕量化、低成本、高性能化奠定基礎(chǔ)。2013 年，美國 DARPA 研制出一種可在單根針頭上集成4096 根納米天線的2D 相控陣陣列，標(biāo)志著硅基異質(zhì)異構(gòu)光電子集成技術(shù)的發(fā)展。要取得這些突破，需要解決以下幾個(gè)問題：一種能適應(yīng)大規(guī)模納米天線的結(jié)構(gòu)；一種新型的微納制造技術(shù)；把電子元件和光學(xué)元件整合在單一的晶片上。

1 RF電路設(shè)計(jì)

1.1 功率放大器

功率放大器是射頻電路中的核心器件，它的工作好壞直接決定整個(gè)電路的性能，因此對它的選擇和設(shè)計(jì)是十分重要。傳統(tǒng)功率放大器是在晶體管或場效應(yīng)管基礎(chǔ)上加一個(gè)帶通濾波器后，再使用晶體管來實(shí)現(xiàn)，但是這種方法存在體積大、可靠性差等缺點(diǎn)。目前采用的功率放大器結(jié)構(gòu)有：微帶線（Bandgap）結(jié)構(gòu)、共源共柵結(jié)構(gòu)、同軸共路結(jié)構(gòu)和新型的寬帶共焦結(jié)構(gòu)等。這些功率放大器均具有體積小、可靠性高、功率大和效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中，如移動(dòng)電話、雷達(dá)等。其中Bandgap 是一種常用的功率放大器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用共源共柵和微帶線耦合的方法，不僅降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且提高了電路可靠性。

1.2 頻率合成器

頻率合成技術(shù)是將多個(gè)頻率源的頻率相加，從而實(shí)現(xiàn)所需頻率的技術(shù)?，F(xiàn)在，常用的有鎖相環(huán)、PLL、VCO 等結(jié)構(gòu)。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)：通過給鑒相器反饋電路輸入一個(gè)參考信號(hào)，由鑒相器對輸出信號(hào)進(jìn)行鑒相和跟蹤，使其相位符合輸入的參考信號(hào)。該結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有較好的跟蹤性能，但其動(dòng)態(tài)范圍較??；鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)主要用于高速低功耗系統(tǒng)中，例如一些雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)；VCO 技術(shù)能夠提供一個(gè)線性參考時(shí)鐘，對噪聲及雜散的抑制非常好，并且具有較低的功耗和體積。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性較差。PLL 結(jié)構(gòu)：PLL 是將多個(gè)頻率源的頻率相加，然后再合成一個(gè)頻率源。一般情況下，PLL 根據(jù)使用要求不同而選擇不同的結(jié)構(gòu)，例如PLL 可分為鎖相環(huán)型、壓控振蕩器（VCO）型和混頻器型三種。一般情況下，PLL 工作于低噪聲高集成度頻率合成方式中。

2 芯片/模塊封裝

2.1 芯片的封裝工藝

芯片的封裝工藝可以分為光刻（掩膜版技術(shù)）、蝕刻（離子注入、剝離）、刻蝕（離子刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光和熱化學(xué)機(jī)械拋光）、微影（原子層光刻、離子束注入和剝離）四個(gè)基本工序。芯片的封裝工藝主要包括光刻、微影和機(jī)械拋光四個(gè)基本工序，其中光刻和蝕刻是芯片封裝中最重要的兩個(gè)技術(shù)。光刻是指利用光刻膠與物質(zhì)在波長相同的光源作用下進(jìn)行光化學(xué)作用來完成版圖制作的工藝過程，這一過程需要較高的精度。蝕刻則是將芯片上要顯示的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后對光刻膠進(jìn)行化學(xué)處理，使之與待蝕刻芯片相結(jié)合形成圖形。微影是指利用高速電子束或等離子體轟擊晶圓表面，使之產(chǎn)生圖形化，這種方法能將芯片上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。機(jī)械拋光則是在晶圓表面增加一層薄薄的拋光液（或樹脂），并在拋光液和晶圓表面之間放置研磨膏，最后采用機(jī)械方式進(jìn)行拋光。此外，還有一些其他的封裝工藝步驟，如離子注入、剝離等。各種封裝工藝各有利弊，可以根據(jù)具體需求來選擇不同的封裝工藝。

2.2 芯片的封裝技術(shù)和應(yīng)用

芯片的封裝是指將功能芯片與其它功能模塊直接進(jìn)行連接和裝配的過程。目前，主要有以下幾種封裝方式：

（1）芯片直接貼裝，也就是將芯片直接封裝結(jié)構(gòu)中，這是一種比較傳統(tǒng)的封裝方式。

（2）芯片間接安裝，也稱倒裝封裝。其原理是將一個(gè)部件的部分元件（如電路、分立元件）與另一個(gè)部件（如電路板）連接起來，再用膠粘于另一個(gè)部件之上。這種方式可以簡化工藝，可以增加互連密度，有利于實(shí)現(xiàn)小型化。

（3）芯片表面組裝技術(shù)，即在電路板上覆蓋一層或多層樹脂薄膜，然后將集成電路、分立元件等直接貼裝到上面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約組裝時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大了安裝空間。這種方式的缺點(diǎn)是由于基板材料不一致和貼片位置不確定等因素會(huì)導(dǎo)致芯片封裝質(zhì)量的一致性較差。

（4）芯片內(nèi)嵌技術(shù)，即將兩個(gè)功能單元之間的元件或引線與封裝整體結(jié)合起來。這種方法是在芯片與基板之間插入金屬引線，將兩個(gè)功能單元相互連接起來。這種方法能夠?qū)⒃骷苯友b在基板上，從而簡化了組裝工藝并提高了效率。但這種方法也有缺點(diǎn)：首先是金屬引線與基板的連接可能會(huì)產(chǎn)生可靠性問題；其次是由于金屬引線所需的功率較大而導(dǎo)致功耗較大；此外還會(huì)引起散熱問題。

2.3 模塊的封裝及功能

模塊封裝（ModularPackage, MIP），是一種將不同的器件集成在一個(gè)封裝內(nèi)的封裝技術(shù)。它能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電路功能和電路形式上的多樣性。目前，模塊封裝主要有三種類型：第一類是在芯片上直接焊接不同的組件，包括模塊封裝和芯片組裝。這一類封裝結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，而且使用方便，在大規(guī)模集成中得到了廣泛應(yīng)用。第二類是把一個(gè)系統(tǒng)中的各種不同功能芯片與電路模塊或組件集成在一個(gè)封裝內(nèi)。這一類封裝技術(shù)復(fù)雜一些，成本也更高一些，但是其功能和性能較好。第三類是將具有相同功能的模塊或組件集成在一個(gè)封裝內(nèi)，形成一個(gè)集成的模塊系統(tǒng)。這一類封裝技術(shù)復(fù)雜程度最高，工藝步驟也最多，但是其具有高集成度、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)。模塊的功能一般包括：邏輯功能、信號(hào)處理功能、功率放大和開關(guān)控制等。它們大多是采用集成化的設(shè)計(jì)思想來設(shè)計(jì)的。不同模塊具有不同的結(jié)構(gòu)和不同類型的功能，有的只具備其中一種功能，有的同時(shí)具備多種功能。對于每一種功能而言，它們都要經(jīng)過預(yù)處理和后處理工序，然后才能完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝制造過程。在模塊化設(shè)計(jì)過程中需要考慮各功能之間的連接關(guān)系以及工藝問題。

3 多芯片組件與封裝技術(shù)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，信號(hào)頻率和數(shù)量都在不斷增加，相應(yīng)的射頻器件也變得越來越復(fù)雜，為滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)中各種信號(hào)傳輸速率的要求，射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)包括了多芯片組件和封裝技術(shù)。多芯片組件與封裝技術(shù)主要包括了超大規(guī)模集成電路封裝技術(shù)（VLSILSIPackage）、三維集成技術(shù)（3DIntegration）、金屬-半導(dǎo)體多層互連技術(shù)（Metal Semiconductor Multilayer Interconnect, MMIC）等。這些方法的特點(diǎn)是利用三維空間進(jìn)行封裝，對微波信號(hào)的傳輸路徑進(jìn)行重新規(guī)劃，同時(shí)有效降低了封裝過程中的損耗。多芯片組件與封裝技術(shù)具有低成本、高密度和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。由于其在5G 通信領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，因而受到了極大地關(guān)注。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些5G 系統(tǒng)中多芯片組件與封裝技術(shù)，主要包括4G 系統(tǒng)中采用的三維集成工藝，以及5G 系統(tǒng)中使用的3D 集成工藝。另外，多芯片組件與封裝技術(shù)還可以應(yīng)用于射頻開關(guān)、濾波器以及功率放大器等多種芯片的封裝，并實(shí)現(xiàn)了這些功能模塊之間的隔離。

4 開關(guān)和濾波器設(shè)計(jì)

4.1 多通道濾波器設(shè)計(jì)

多通道濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)在多個(gè)信道中同時(shí)進(jìn)行工作，并且具有較好的隔離效果，從而進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。對于多通道濾波器來說，通?？梢杂蓛煞N不同結(jié)構(gòu)的濾波器構(gòu)成。其中一種結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的微帶線濾波器，另一種結(jié)構(gòu)為集成化的巴倫濾波器。為了減少設(shè)計(jì)時(shí)間，通常采用巴倫濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于傳統(tǒng)巴倫濾波器來說，其通常使用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，利用電容與電感進(jìn)行串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的集成。由于其諧振頻率較高，因此在整個(gè)電路中會(huì)產(chǎn)生很多損耗。為了減少這些損耗，可以在電路中加入耦合結(jié)構(gòu)，這樣能夠有效的增加電路的增益。對于集成巴倫濾波器來說其由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是諧振器部分，另一個(gè)是傳輸線部分。在傳統(tǒng)的巴倫濾波器中通常會(huì)使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的集成設(shè)計(jì)，而集成巴倫濾波器通常會(huì)使用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到更好的性能指標(biāo)，通常可以在電感和電容之間增加一個(gè)過渡電路來實(shí)現(xiàn)通帶和阻帶的轉(zhuǎn)換。在射頻系統(tǒng)中對多通道濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以將其與開關(guān)進(jìn)行集成使用。通過在多通道濾波器中引入開關(guān)，能夠使整個(gè)電路得到進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)，從而大幅度降低設(shè)計(jì)成本。

4.2 開關(guān)和濾波器的混合集成

對于傳統(tǒng)的射頻開關(guān)來說，其通常是在串聯(lián)諧振電路的基礎(chǔ)上，通過并聯(lián)電容或并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)其功能。因此，對開關(guān)電路的性能指標(biāo)也有著一定的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，如果選擇了一些性能較差的開關(guān)電路，可能會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。對于開關(guān)來說，其通常具有一定的工作頻率范圍。其通常工作于高頻端，此時(shí)的射頻信號(hào)帶寬相對較大。如果將這些開關(guān)電路與一個(gè)低通濾波器進(jìn)行組合設(shè)計(jì)時(shí)，則可以降低整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率范圍。由于傳統(tǒng)的射頻開關(guān)和低通濾波器無法直接集成到一個(gè)芯片中進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在這種情況下可以通過使用混合集成技術(shù)對它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于混合集成技術(shù)來說，其需要將射頻開關(guān)和濾波器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足不同頻率范圍下的工作要求。然后將射頻開關(guān)電路和低通濾波器進(jìn)行混合集成（圖6）。在這種情況下，射頻開關(guān)和低通濾波電路能夠很好地結(jié)合在一起，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠更好地滿足其工作需求。對于濾波器來說，其通常采用耦合矩陣結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。對于這種結(jié)構(gòu)來說，其可以將不同頻率范圍下的多個(gè)濾波器進(jìn)行同時(shí)應(yīng)用。通過將這些濾波器與射頻開關(guān)進(jìn)行結(jié)合來達(dá)到降低整體系統(tǒng)性能指標(biāo)的目的。在這種情況下可以提高系統(tǒng)的傳輸速率和工作效率。

5 射頻功率傳輸

5.1 天線

對于射頻天線，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常是使用一個(gè)傳輸線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)天線的設(shè)計(jì)。這些傳輸線網(wǎng)絡(luò)包括：傳輸線、諧振器矩陣、集總電路、功分器、巴倫和天線陣。這些傳輸線網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)單元都有一個(gè)電阻，根據(jù)它們的阻抗可以形成不同的天線。通過對這些天線進(jìn)行優(yōu)化組合，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射/接收端信號(hào)的最佳調(diào)制，從而最大限度地利用了射頻功率傳輸。在現(xiàn)代移動(dòng)通信中，天線被廣泛用于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的匹配和調(diào)制。使用兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)進(jìn)行發(fā)射/接收時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所謂的“相移”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出功率與接收機(jī)接收到的信號(hào)功率不匹配。要解決這種現(xiàn)象，一般需要對不同頻率下的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。例如，可以使用薄膜表面安裝器件來實(shí)現(xiàn)各種形狀和厚度的天線設(shè)計(jì)，以滿足射頻功率傳輸要求。薄膜表面安裝器件還可以用于其它射頻功率傳輸應(yīng)用場景中。

5.2 調(diào)制器

調(diào)制是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)的過程，或者說是一種將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當(dāng)調(diào)制過程中的噪聲對所傳輸信號(hào)造成影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致失真。通常情況下，噪聲對所傳輸信號(hào)的影響可以通過加載一個(gè)低通濾波器來消除。目前在毫米波頻段內(nèi)，毫米波調(diào)制器、微波毫米波混頻器模塊已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。毫米波調(diào)制器與傳統(tǒng)基帶調(diào)制器最大的區(qū)別是它的帶寬非常寬，而且由于其在高頻下具有較低的損耗特性，因此可以使用較大的功率來產(chǎn)生較高頻率的信號(hào)。此外，毫米波調(diào)制器具有更強(qiáng)的抗電磁干擾能力，因?yàn)樗ぷ髟趯拵Ｊ较露幌窕鶐д{(diào)制器會(huì)受到嚴(yán)重的電磁干擾影響。與基帶調(diào)制器相比，毫米波調(diào)制器需要更高的工作頻率。在毫米波頻段內(nèi)，人們開始采用基于RF（RF)-LNA（低噪聲放大器）-MMIC（多輸入多輸出）-MMIC（天線）架構(gòu)來設(shè)計(jì)毫米波調(diào)制器。這些架構(gòu)中最重要的是多輸入多輸出結(jié)構(gòu)。所謂多輸入多輸出結(jié)構(gòu)是指利用天線作為調(diào)制器來產(chǎn)生高頻信號(hào)，這使得所設(shè)計(jì)的調(diào)制器可以使用更高頻率、更小尺寸和更高效率。目前大多數(shù)毫米波調(diào)制器采用單通道設(shè)計(jì)方式，而在未來可能會(huì)出現(xiàn)集成了多個(gè)通道的毫米波調(diào)制器。此外還可以考慮采用高密度封裝方式來提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性是一個(gè)非常重要而且十分復(fù)雜的問題）。除了射頻功率傳輸之外，還需要考慮電磁兼容（EMC）和電磁干擾等問題。

5.3 射頻功率放大器

射頻功率放大器的性能由許多因素決定，其中最重要的因素是工作電壓。為了保持功率放大器的穩(wěn)定工作，必須保持一定的電壓，但也可以通過其他方法實(shí)現(xiàn)這一目的。最常用的方法之一就是采用電感電容加載電路來實(shí)現(xiàn)電壓控制。電感電容加載電路可以提供與工作電壓相匹配的穩(wěn)定輸出，但有一個(gè)重要問題，就是其需要固定的電感電容值。另一方面，為了保持功率放大器在不同負(fù)載情況下穩(wěn)定工作，可以使用多個(gè)電感電容加載電路。多個(gè)電感電容加載電路可以利用一個(gè)共同的工作電壓實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載情況下輸出電壓的穩(wěn)定性。這種方法不僅簡單易用，而且能提供一定程度的靈活性。除了采用電感電容加載電路外，還有一種技術(shù)是采用帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。帶通濾波器具有可以使負(fù)載阻抗在一定范圍內(nèi)變化的特點(diǎn)。如果將帶通濾波器與功率放大器串聯(lián)起來，就可以通過調(diào)整電壓來改變功率放大器輸出的功率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。這種方法既簡單又靈活。此外還有一些其他方法，比如采用開關(guān)型變壓器來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，雖然這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但是在某些方面可能有一定優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

綜上所述，射頻集成電路主要被應(yīng)用在4 個(gè)領(lǐng)域：無線通信、雷達(dá)、軍用系統(tǒng)、遙感。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，對數(shù)據(jù)處理速度越來越高，為射頻集成電路應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供了新的機(jī)遇。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，隨著5G 時(shí)代的到來，5G 無線通信技術(shù)的發(fā)展會(huì)對射頻集成電路需求巨大。在未來較長一段時(shí)間內(nèi)，射頻集成電路都會(huì)處于較快發(fā)展的狀態(tài)。目前在高性能計(jì)算和通信技術(shù)領(lǐng)域中，無論是基于數(shù)據(jù)速率提升還是為了處理速度提高的需求，都需要通過“多核”方式來實(shí)現(xiàn)。但是，高吞吐量和低成本是兩個(gè)矛盾的需求，尤其在通信和雷達(dá)領(lǐng)域中。這就要求射頻集成電路設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)信號(hào)處理架構(gòu)和算法進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足高性能計(jì)算需求。