移动设备射频前端器件的小型化与集成化-毕业设计论文

Error! No text of specified style in document. 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III中国科学院上海高等研究院博士/硕士学位论文致 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 中国科学院上海高等研究院硕士学位论文 79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威尔金森功率分配器。实测结果显示，通带内插入损耗约为0.7dB，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The miniaturization 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 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 losses 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 designed 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 filter 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 than 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 an integrated electrostatic protection circuit; In GPS band ,the diplexer 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. 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 insert 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 designed two band matching circuit as an example for the B1 and B40 frequency.Key words: IPD、integration、filter、diplexer、ESD、power divider、matching 目录致 谢I摘 要IIIAbstractV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434.2.2.5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75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 Mi. X, Takahashi T, Ueda S. Integrated Passives on LTCC for Achieving Chip-Sized-ModulesC/ Microwave Conference, 2008. Eumc 2008. European. 2008:607-610.，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 Advanced Packaging of Integrated Passive Devices for RF Applications-徐锐敏, 陈志凯, 赵伟. 微波集成电路的发展趋势J. 微波学报, 2013, 29(5): 55-60。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 Govind V, Monajemi P, Carastro L, et al. Design of novel highly integrated passive devices for Digital Broadcasting Satellite/802.11 Home Networking Solution in liquid crystal polymer (LCP) based organic substratesC/Microwave Symposium Digest, 2006. IEEE MTT-S International. IEEE, 2006: 1157-1160.- Vaha-Heikkila T, Saijets J, Holmberg J, et al. Integrated Passive Device process for high quality factor passive components and modulesC/Microwave Conference (EuMC), 2013 European. IEEE, 2013: 100-103- Tang T C, L in K H. MIMO Antenna Design in Thin-Film Integrated Passive DeviceJ. Components, Packaging and Manufacturing Technology, IEEE Transactions on, 2014, 4(4): 648-655.- Bian X, Guo H, Zhang L, et al. Simulation and modeling of wafer level silicon-base spiral inductorC/Electronic Packaging Technology and High Density Packaging (ICEPT-HDP), 2012 13th International Conference on. IEEE, 2012: 29-31.。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 Zoschke K, Wolf M J, Tpper M, et al. Fabrication of application specific integrated passive devices using wafer level packaging technologiesJ. Advanced Packaging IEEE Transactions on, 2007, 30(3):359-368.。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、低功耗及多功能的移动设备成为了未来的趋势。然而，在有源器件工艺不断提高的节奏下，无源器件的小型化却遇到了瓶颈。如何提高无源器件的集成度从而降低成本成了一个难题，而基于薄膜硅基的IPD技术给我们提供了这样的一种可能。因此，针对基于硅基IPD技术的射频前端无源器件的小型化的研究是一个有重大理论意义和工程意义的课题。本文研究了滤波器、双频器、功率分配器和天线tuner四个可用于移动设备射频前端的无源器件。1.2国内外发展现状在移动终端内部，射频前端电路的主要功能包括微弱信号的放大、带外干扰信号的过滤、将射频信号搬移到较低频率的下变频、可变增益放大等功能。本小节会就常见的射频系统架构展开分析，对其中的和本论文相关的无源器件进行说明，然后就国内外对IPD器件的工艺和研究进行展开说明。1.2.1射频前端系统中的无源器件现在常见的射频系统有两种：超外差式接收机和直接变频接收机。Edwin Armstrong在19世纪发明的超外差式接收机（heterodyne receiver）架构 Lee T H. The design of CMOS radio-frequency integrated circuits, 2nd editionJ. Communications Engineer, 2004, 2(4):47-47.，目前被广泛用于科研、生产，军事等各个领域。本文以二次变频超外差接收机为例子介绍射频前端系统中的无源器件。如图1.1所示，信号从天线到基带会经过很多的无源器件。包括但不限于天线匹配、天线后端的无源滤波器、双频器、混频器后的镜像滤波器、选频滤波器、功率分配器等器件。这些无源器件承担着选频，镜像抑制，干扰抑制的重要功能。由于无源器件在接收机中功能重要，应用广泛，因此无源器件的小型化对射频前端系统的小型化意义重大。图1. 1超外差接收机1.2.2 IPD技术发展IPD技术按照工艺分类可以划为两种：厚膜技术和薄膜技术。厚膜技术主要是使用陶瓷为基板的低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）技术何中伟. LTCC 工艺技术的重点发展与应用J. 集成电路通讯, 2008, 26(2): 1-9.和基于HDI高密度互连的PCB印制电路板埋入式无源元件技术。LTCC 是典型的厚膜技术，它是以陶瓷材料作为介质基板，选用导电性能良好的金属或者合金作为导电材料，电容和电感都有固定的三维结构。根据设计的结构，在合适的温度下对材料进行烧结，进而得到性能优良的小型化的电子元件。LTCC技术可以提供足够高品质的电感和电容，但是厚度较大，同时制作工艺的公差大，给设计和生产带来了极大的不确定性。薄膜IPD技术 Vaha-Heikkila T, Saijets J, Holmberg J, et al. Integrated Passive Device process for high quality factor passive components and modulesC/ Microwave Conference (EuMC), 2013 European. IEEE, 2013:100-103.，通常采用半导体平面工艺制作电容、电阻和电感 徐刚. 薄膜集成无源元件技术发展现状J. 混合微电子技术, 13(2):7-8及电路。薄膜IPD的精度好，目前薄膜IPD的精度可以达到5um；初期薄膜IPD的劣势是无法制作高Q值的电感。经过十多年的发展，薄膜IPD技术得到长足的进步。选择合适的基板和电感制作材料，可以提供足够高Q值的电感；同时，无论是在硅基板还是砷化钾基板上面，薄膜器件的技术都是具有最高电容密度的技术。这些优点使之可以广泛应用于制造小型化、高集成度的电子产品中 Li Y, Wang C, Kim N Y. An optimized process of high-performance integrated passive devices (IPDs) on SI-GaAs substrate for RF applicationsC/Microwave Conference Proceedings (APMC), 2013 Asia-Pacific. IEEE, 2013: 116-118.。在20世纪90年代末，无源器件是作为分立元件而出现的，通常只会去考虑无源器件的组装问题。随着系统级封装技术的发展，如何低成本、高性能的集成无源器件受到了越来越多的重视。为了提高系统的集成度、降低成本，上世纪90年代末，国外开始对硅基IPD技术研究。经过十多年的研究发展，由于具有小体积、低成本和低功耗的优势 Huang C H, Wei T C, Horng T S, et al. High-performance Marchand-type Balun Design and Fabrication using An Integrated Passives Device (IPD) TechnologyC/ International Conference on Electronic Materials & Packaging. 2008:137-140.- Yang J S. Wafer-Level Chip Scale Packaging Benefits Integrated Passive DevicesJ. Equipment for Electronic Products Manufacturing, 2007, 23(2):247 - 251.，硅基IPD技术在圆片级封装(Wafer Level Package，WLP)内得到了广泛的应用。但是使用硅基衬底制作无源器件有一定的局限性器件的性能。衬底的导电性与寄生电容导致生产的无源器件能量损耗很大，制作出的电感的Q值较低。这严重限制了硅基无源器件的应用。为提高硅基无源器件的性能，目前国内外对于如何增大电感的Q值 Lee Y T, Liu K, Frye R, et al. Ultra-wide-band (UWB) band-pass-filter using integrated passive device (IPD) technology for wireless applicationsC/ Electronic Components & Technology Conference. 2009:1994-1999.，进行了大量的研究。分析电感首先要对工艺进行分析，图1.2是IC工艺中平面螺旋电感损耗机制Niknejad A M. Analysis, Simulation, and Applications of Passive Devices on Conductive SubstratesJ. International Journal of Clinical & Health Psychology, 2006, 6(1):pgs. 7-21.。图1. 2IC工艺中平面螺旋电感损耗机制由图中我们可以看出，影响螺旋电感品质的工艺因素主要有两点：衬底的损耗和金属的损耗。目前IPD器件的研究重点主要集中在如何减少衬底损耗，减小趋肤效应引起的金属损耗。目前工艺研究常用的几种提高电感Q值的方法有硅离子注入、衬底刻蚀、厚铜工艺。1.2.2.1硅离子注入法硅离子注入法是为了减小电感在衬底上的损耗。由于成本限制，在常规工艺中所使用的硅片的纯度不高，导致衬底的电阻率低。在这种情况下，如果有电流流过电感线圈，则线圈上的交变电流所产生的磁场会在衬底上面产生涡流效应，而当涡流流过衬底时，如同电流流过电阻会产生热能，造成较大的能量损失。因而提高衬底电阻率能够有效的降低涡流效应，从而降低衬底损耗，提高电感的Q值 李轶楠. 硅基集成无源滤波器的设计与制作D. 大连理工大学, 2013.。通过离子注入法向Si衬底内进行硅离子注入，从而提高衬底中Si的纯度，提高了衬底的电阻率。采用硅离子注入，在其他条件不变的情况下的电感的Q值实验结果如图13所示 Chen P Q, Chan Y J. Improved microwave performance on low-resistivity Si substrates by Si+ ion implantationJ. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2000, 48(9):1582-1585.图1. 3电感的Q值与离子浓度的关系图从图中，可以看出，电感的Q值在高掺杂的情况下得到明显提高。虽然离子注入法在一定程度上提高衬底电阻率，但是还未能完全达到我们要求的高电阻率。因此有了进一步的方法，即衬底刻蚀。1.2.2.2衬底刻蚀为了进一步减小甚至消除衬底带来的损耗，基于电感的损耗模型，人们提出了将金属电感下方的衬底硅刻蚀掉，以此来彻底的克服衬底带来的损失，其截面图如图1.4所示Kaufman H K, Hume R F, Calhoun B C, et al. Natural History of Twin Gestation Complicated by in utero Fetal Demise: Associations of Chorionicity, Prematurity, and Maternal MorbidityJ. Fetal Diagnosis & Therapy, 2003, 18(2):442-446. 。图1. 4 衬底截面图衬底刻蚀后，在其他条件不变的情况下，电感的Q值性能变化图如图1.5所示。图1. 5 刻蚀前后的Q值的变化从图1.5中可以看出，Q值发生了很明显的变化。证明改进衬底的材料可以有效的减小损耗。但是这种工艺制作难度比较大，因此在实际生产中普及度不高。不过这种方法给我们带来了很好的方向。可以利用高阻衬底或者绝缘衬底来减小衬底上的消耗。在工业中，有时候会利用一层绝缘体作衬底来减小衬底的消耗。1.2.2.3厚铜工艺当电流流过金属的时候，由于金属材料的电阻不为0，就会在上面产生欧姆损耗。另外一方面当电流在螺旋电感流过时，由于趋肤效应的影响，电子是在线圈的表面流动的，内部的能量由于电场的涡轮效应而被减少。因此金属电导率和金属线圈的厚度都会影响金属的损耗。电感的Q值和使用材料的关系见图1.6.我们可以把电感等效为一个理想电感和电阻，采用更好的材料可以减小电阻，从而减小了热能的损耗，进而可以增大电感的Q值；好的材料可以减少螺旋电感的制作材料上的热量消耗。可以有效提高电感的Q值。图1. 6 不同金属线电阻率下电感值和Q值随曲线变化率。从图中可以看出，当改变所使用的材料时，电感值相同的情况下，电感的Q值会有很大的提高。在实际的应用中，通常会使用两种以上的方法来改进工艺，制作高Q值的电感，如安森高公司，一方面使用了高电阻的衬底，另外一方面使用电阻率较小的铜来制作电感。电感大小最大可以达到50nH，最大电感的Q值在25-45左右。相比低电阻硅工艺制作的电感性能得到极大提高。这种工艺提供三层金属布线，成本比GaAs工艺低。IPD工艺的横截面如图1.7所示。图1. 7 安森美高Q集成无源器件1.2.2.4 薄膜IPD技术目前薄膜技术、低温共烧陶瓷技术、多层电路板技术已经可以将不同类型的无源器件集成在一个模块内来封装。其中，高Q工艺的IPD技术已经成为无源集成的主流技术。相比于其他集成技术，薄膜IPD技术具有以下主要特点：1优良的高频、高Q特性不逊于LTCC工艺，理想情况下，可以获得Q值高达70的电感 Chen H K, Hsu Y C, Lin T Y, et al. CMOS wideband LNA design using integrated passive deviceC/ IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest. IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 2009:673-676.- Kim G, Liu K, Frye R C, et al. Design of Compact Power Divider Using Integrated Passive Device (IPD) TechnologyC/ Proceedings - Electronic Components and Technology Conference. 2009:1894-1899.。2良好的扩容性 Liu K, Frye R, Emigh R. Compact balanced band pass filter for 3.3GHz 3.9GHz WiMAX applicationsC/ Proceedings - Electronic Components and Technology Conference. 2009:1599-1605.，衬底可以选择硅、玻璃、砷化镓、蓝宝石等材料。制作材料可以选择高电导率的金属作为导体材料。损耗小 Long, John R, Copeland, Miles /A/. The modeling, characterization, and design of monolithic inductors for silicon RF ICsJ. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 1997, 32(3):357 - 369.可以制作多层，利用通孔来实现多层之间的互联。充分利用了三维立体空间，大大提高了系统的集成度，减小了产品体积，可进一步的提高系统的集成度。3工艺精度高，可以使用10um的细线结构电路，远远好于LTCC工艺，可以实现更精细的电路。4可集成的元件种类多而全，电感、电容、电阻等都可用薄膜IPD工艺实现。5电容的密度高，无论是在硅基板还是砷化钾基板上面，薄膜IPD器件的技术是具有最高电容密度的技术。1.3 基于硅基IPD工艺的封装IPD技术可以被用来制作分立元件，也可以在系统之中直接集成。在系统设计中，IPD器件如电阻、电感、电容和滤波器、巴伦、混频器的那个都可以倒装封装在IPD基板上面。图1.8 Liu K, Frye R C, Guruprasad B, et al. Chip Scale Module Package for WLAN Module ApplicationC/ Proceedings - Electronic Components and Technology Conference. 2007:1409-1414.展示了一个SOP封装的例子，在这个例子里面，我们使用了BGA的封装方式。IPD工艺同样支持QFN封装和其他形式的某些封装 Cotte J M, Gaucher B P, Grzyb J, et al. Versatile Si-based packaging with integrated passive components for mmWave applications: US, US7808798P. 2010.。图1. 8 使用IPD工艺的SOP封装的例子1.4仿真工具简介ADS(Advanced Design System)是安捷伦公司(Agilent)设计开发的一款EDA软件，由于其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波领域)而获得了广泛的应用。ADS是目前研究微波射频领域和通信系统仿真的最常用软件之一。经过多年的发展，ADS的功能日趋完善。最大的特点就是集成了从IC级直至系统级的仿真模块。ADS提供时域、频域的仿真。还可以提供系统设计，可以进行模块之间的联调。同时，ADS还提供了强大的电磁仿真功能。利用ADS可以设计很多东西，小的比如滤波器、WIFI射频模块，大可以到整个通信系统的仿真，数模混合仿真。基于ADS的优良特性，ADS在国内的大学和科研院所得到了广泛的使用。ADS集成了四大仿真平台：模拟/射频仿真平台、数字信号处理仿真平台、Momentum电磁仿真平台、FEM电磁仿真平台。本文使用到了模拟/射频仿真平台的和电路的线性分析和电磁仿真平台的电磁仿真分析(Momentum)下面详细介绍这两种分析方式。线性分析：线性分析为频域分析，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行分析时，软件首先计算每个元件的参数，继而对整个电路进行联合分析。本文使用这个功能来确定初始的电路，为后续的电磁分析做铺垫的基础；后续也使用频域分析对电磁分析后的电磁仿真分析(Momentum)：ADS Momentum 是一种对电路3D进行简化的的2.5D电磁仿真器。分厂适合第3维度上的均匀变化的结构仿真。如PCB版级仿真、RFIC/MMIC和第三维度上的均匀变化的结构仿真。其仿真速速极快，同时具有和主流3D电磁仿真相同的精度。其分析的出的S参数可以直接用于线性分析、HB分析等功能中。本文主要使用这个功能优化电路的性能和面积。除此之外，为了方便设计者使用，ADS中还集成了很多设计指南。ADS2013版本提供了包括WIFI设计、蓝牙设计、混频器设计、射频系统设计、放大器设计指南、锁相环设计指南等。当然，用户也可以创建自己的设计指南。ADS的设计流程如下：1 打开软件，根据所需创建一个新的工程2 创建一个合适的设计模型，包括衬底模型、各部分的材料属性，扫描方法等3 进行仿真系统的搭建，这部分包括各部分的互联4 设置好之后既可以进行仿真运算。运算后即可查看所需的计算结果，如S参数、电路的Q值等。1.5本文的研究内容和结构安排本文的研究主要在两个方面：1 对IPD的工艺进行了研究，详细分析了一些可能会影响无源器件电感品质的几何因素和工艺因素，对影响电感Q值的几何因素如衬底，线宽，线圈的厚度等进行了研究和分析。2 针对射频前端小型化和集成化的趋势，对射频前端的几种无源器件进行了深入研究，掌握了多种前端无源器件的小型化设计方法。利用ADS软件验证仿真，并且利用IPD工艺设计实现多款前端无源器件。提出利用IPD工艺设计匹配并利用MEMS开关来切换匹配以此实现天线频率频率可重构的目的。现将各章节安排如下。第一章（本章）主要对无线通讯市场的发展进行了介绍，说明了工作开展的背景及意义。分析了常见射频前端系统内无源器件的作用，对射频前端器件发展的趋势进行了解读。最后给出了薄膜IPD工艺近年来国内外的发展趋势。本章的最后章节给出了论文的章节安排。第二章首先介绍了本文IPD的工艺及仿真工具。随后对硅基工艺的损耗模型进行了分析。对射频无源器件的的基本单元电感、电容的参数进行提取和分析。对影响电感Q值的参数进行了讨论与仿真。针对片上的螺旋电感的结构和性能给出分析，结合现有工艺，给出电感的Q值和各个参数的一张仿真的表格。第三章内容在第二章分析的基础上，介绍了滤波器的基本理论、性能指标和设计原理。根据要求设计了一个巴特沃斯低通滤波器，包括参数计算与版图设计，并对实际版图仿真的结果进行优化。最后将仿真结果和实物的测试结果进行了对比分析。第四章首先介绍了Diplexer的设计原理和性能指标及ESD电路的设计原理。采用IPD工艺设计出了一个用于1.575GHz和2.4GHz的且具有ESD功能的diplexer，最后将测试结果和仿真结果进行了对比并对结果进行分析。第五章是功率分配器的的设计。首先介绍了威尔金森功分器的工作原理，接着介绍了功率分配器的衡量指标，最后采用等效电路取代1/4波长传输线设计并实现了一个中心频率为1.82GHz的使用IPD工艺的功率分配器。第六章是天线的匹配的设计。这一章介绍了天线的性能指标，未来天线的趋势和要求，提出利用IPD工艺和MEMS开关相结合进行频率可重构的方法。然后针对天线设计了两款IPD的匹配电路，最后对匹配电路的性能进行了验证。最后是总结与展望。对全文的内容进行了总结。对未来的发展进行了展望。第二章 IPD无源器件设计理论基础无源器件的主要集成方式有三种：分离式、集成式、内埋式。目前工艺最成熟的是分离式，将封装好的分离元件安装到系统中，集成度最低。集成式顾名思义，是把无源器件集成到系统内部，无源器件和系统的其他元件分开制作。而内埋式，是利用同种工艺来生产无源器件，直接集成在PCB板内部。这种方法的集成度最高，同时从成本角度来讲也比较具有竞争力。内埋技术的出现，使得系统的寄生参数显著减小。这个技术提高了系统的集成度，显著缩小了整个系统的面积。在无线通讯设备中，利用薄膜IPD工艺，我们可以灵活实现无源器件的集成。近年来高Q值工艺的出现和普及，使内埋工艺得到广泛应用。在设计的过程中，成本和性能永远是两个需要考量的角度。为了设计出合适的电路，首先需要了解整个电路的结构和参数，然后对整个电路的结构与各个分立元件的参数进行优化。图2.1是本文所使用的工艺的横截面。高阻硅的衬底上有一层热氧化生成的SiO2,这层材料可以减少涡流效应，减少衬底带来的损耗；衬底的厚度为25025um；M1层是AlCu，厚度为2um，通常用来作为MIM的低电容极；M2层是Cu，厚度为8um，通常用来制作MIM电容的上电极和螺旋电感，也做为电阻两端引出的的触点；P11层的厚度为5.20.5um，通常采用聚酰亚胺无机材料作为绝缘隔离。TaSi层的厚度为0.26um；Nitride层的厚度为0.2um。从图中可以看出，本工艺利用M1层和M2层来制作电感；利用M1层和M2层作为电容的两极，并且在中间插入Nitride介质层来提高介电常数；利用TaSi的高阻抗特性来制作电阻。采用此种工艺加工出的电子器件集中在衬底上层的10%部分。目前，利用这种技术，薄膜电阻的最大值可达100千欧；电容值可达100pf，最小为0.2pf。电感值的区间范围0.120nH。图2. 1 IPD工艺的横截面本章首先对电感的的模型进行了讨论。特别介绍了片上螺旋电感的实现与仿真。针对电感的线宽、线间距、内径、电感面积和品质因素等几个参数进行了深入分析。最后并且采用某公司的IPD工艺对影响电感性能的几个重要参数进行了仿真与验证。与传统的工艺相比，IPD的集成电感的Q值可以高达25以上。然后分析了IPD电容的结构与实现方法和主要参数。2.1电感的设计片上电感在微波电路中有着广泛的应用。阻抗变换、