RF设计与应用(二)射频内藏式被动元件设计.doc

RF設計與應用（二）射頻內藏式被動元件設計內藏式被動元件Embedded Passives or Integral Substrates技術可以獲得以下幾個優點1降低成本；2產品體積得以縮小；3減少焊點，增加整個產品的可靠度；4內藏方式減少溼度、腐蝕影響。以下便針對內藏式被動元件作一簡介。 射頻內藏被動元件功能性基板內藏式被動元件Embedded Passives or Integral Substrates技術的目的是將SMD被動元件整合至印刷電路板中，若可整合這些被動元件，則製造廠商將可以獲得以下幾個優點1減少被動元件的使用量，以降低成本。在無線通訊元件方面例如蜂巢式電話，無線網路以及衛星定位系統GPS，被動元件與主動元件在數量上的比例大概是100 : 1，所以使用內藏式被動元件將可降低成本。此外在無線通訊900MHz以及1800MHz應用的電容值、電感值大多不大，所以可以利用內藏Embedded的方式取代。2產品體積得以縮小。目前一般印刷電路板的技術，已經可以朝向多層印刷結構，所以原本2D面積的使用，我們將它轉換成3D空間設計。例如將電容、電感以及濾波器等製作成多層結構內藏於基板中，如此就可以利用多層的空間減少上層走線的面積。3減少焊點，增加整個產品的可靠度。將SMD的元件焊在基板上經常會出現假焊的現象，或者焊接點不良導致開路或者雜訊過高。4內藏方式減少溼度、腐蝕影響，可以增加產品的使用年限。本文主要的內容是介紹利用內藏式電容電感的架構做2.4GHz功率放大器設計。無線通訊產品講求的是輕薄短小，所以無線通訊系統中的諸多主動元件都已經IC化了，在RF端(Front End)部分目前已經有將LAN， Converter， Synthesizer，I/Q modulatior/Demodulator and Synthesizer等整合在一起的IC。而其中功率放大器因為雜訊以及干擾上的考量，目前設計上一般都是獨立於整合IC外。所以我們選擇Wireless LAN 2.4GHz功率放大器為驗證內藏被動元件功能性基板的載具。以下是各個無線系統的比較表，由表1-1可以發現Wireless LAN的輸出最大功率為200mW(23dBm)。所以我們的目標是開發內藏式元件的分析模擬設計以及量測驗證技術。表1-1 各傳輸系統規格比較表 射頻內藏被動元件功能性基板設計射頻內藏被動元件功能性基板的開發研究分為兩個階段。第一階段建立離散式模組，第二階段建立內藏式模組。首先我們設計出離散式(使用SMT的電容，電感)的Power Amplifier模組，然後將SMT元件利用內藏的技術取代。使用的電晶體資料如表2-1所示工作直流電壓為Bias VDS = 5V ; 電流為 I = 300 mA， VGS = -3.6V， Vcc = 3V ;工作頻率 fc = 2.4Ghz ;Output P1dB = 23.992dBm(量測結果)，增益Gain(S21) = 25.67dB，詳細量測S參數請見圖2-2。詳細Output P1dB圖請見圖2-3。實作結構請見圖2-4。圖2-3 離散式功率放大器Output P1dB圖此外因為電容值是正比於兩耦合板間的介質介電常數，所以我們也可以藉由壓合高介電係數的材料來增加電容值。至於電感的架構一般可分為Spiral電感(圖2-7)以及Solenoid電感(圖2-8)，這兩種電感各有不同的優缺點，Spiral電感製作容易，不過Q值卻太低。而Solenoid電感Q值則比Spiral電感較佳。不過因為電感損耗較大所以在介電材料的選用上趨向使用低損耗的材料。設計過程將利用高頻EM軟體(HFSS，XFDTD)來進行結構設計。接著利用模擬的結果將SMT元件利用內藏的技術取代。Built_in capacitor 2.4GHz Power amplifier ( HW1687 + BFP450 )Built_in capacitor 2.4GHz Power amplifier請見圖2-9。工作直流電壓為BiasVcc=3V，Ic=70mA， VDS = 5V ; VGS = -3.6V電流為 ID = 300 mA， 工作頻率fc = 2.4Ghz ;增益Gain(S21) = 22.5dB，詳細量測S參數請見圖2-10。而增益部分略低於先Discrete量測結果24dB。內藏式功率放大器Output P1dB請見圖2-12。 離散式與內藏式元件應用於射頻之電性差異到目前為止在內藏式功率放大器模組設計方面，可以看出利用內藏式電容能夠取代discrete的電容，而其效果也不差。所以只要有精確的製程、材料控制及電路設計，Built-in基板可以將面積縮的更小，應用層面也可以更廣泛。離散式與內藏式元件應用在射頻領域時，其電性差異說明如下:(1) 離散式電容、電感的Q值比內藏式元件佳，並且元件間互相干擾的情形也會較低微。所以使用內藏式元件取代離散式元件第一面對的困難點是損耗上的考量，這最大的問題是材料上的選擇，此外電路設計也有影響，例如電感採用圓形的Spiral也可改善。(2) 此外另一個困難點是內藏式元件間干擾以及微調的改善。因為內藏式模組混合了多個被動元件，所以模擬方面就要考量所以被動元件才能將干擾的問題避免，所以必須利用EM軟體來設計。(3) 未來最大的困難點就是如何整合多個內藏式被動元件，以及如何控制製程上的參數來讓內藏式元件更為精確及穩定。Functional Substrate可以壓合多種不同特性的材料，若需要電容可以壓合高介電