射频集成电路中片上电感的研究以及威尔金森功率分配器的研究.ashx

1、同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文射频集成电路中片上电感的研究以及威尔金森功率分配器的研究姓名：徐敏申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：贾建华20080201摘要摘要近年来无线通信的迅猛发展，对设备的集成度和性能要求越来越高硅基片上集成电感满足了低损耗，高集成的要求。功率分配器，这样一种无源器件，尺寸和性能直接影响着整个系统的工作质量。（威尔金森）功率分配器早在世纪年代就被提出，本文从理论和实验两方面结合现代硅基工艺，以及正方形平面螺旋电感设计的基础上，找到性能的成因和改进的突破口，提出和讨论了如何改进功率分配器性能的具体方法。本文首先介绍了功率分配器的技术背景和研究近况，以及

2、几种基本结构，并提出采用集总参数实现功率分配器，以符合小型化的要求，并对其进行仿真分析。片上平面螺旋电感是影响此种小型化功率分配器性功能的关键的因素，因此成为研究的热点。接下来对平面螺旋电感进行了数学和结构分析，得到各种参数和性能的关系。在此基础上，设计了一分四功率功率分配器。为进一步提高功率分配器的性能，需降低电感的衬底损耗，因此提出增加隔离层的方法来提高电感的品质因素。将此方法应用在功率分配器上，通过仿真分析发现性能得到了一定的改善。最后，本文介绍了实现的有源电感，采用有源电感实现的功率分配器设计尺寸进一步缩少，品质因素也有了一定的提高。关键词：射频集成电路，片上电感，平面螺旋电感，功率分

3、配器，缸嬲弱，：，学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫攒、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供匿录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：辗奶山占年月夕日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注

4、明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担夺签名：熟铴渺孵刘。日第章引言第章引言概述移动通讯和无线通讯的迅猛发展，以及市场对低成本、高集成度、体积小的射频收发器的巨大的需求，促使射频收发前端单片和混合集成电路器件的研制取得长足发展。以往的接收机大都采用砷化镓或双极性硅工艺实现的功率放大器，收发开关、低噪声放大器等射频电路与工艺实现的中频和基带电路进行混合模拟，并且射频电路主要由分立元件或低集成度的射频芯片构成。随着工艺技术的

5、发展，传统高频性能得到很大改善，其单位增益截止频率接近砷化镓。由于其工艺的成熟性、成本低、功耗小，射频集成电路的研究和生产，正在世界范围内广泛开展。射频集成电路需要高质量的无源元件，片上电感、片上变压器，在普通模拟集成电路中所不需要的元件在射频集成电路中有时是不可或缺的。利用运算放大器等有源器件所构成的等效电感由于其功耗大、面积大、噪声大、高频性能差而不能满足目前的要求。利用现有的工艺条件，人们在这方面己经进行了有益的探索。功率分配器作为一种非常重要而且常用的无源器件，其性能尺寸直接影响到整个系统的性能和集成度。因此，在先进的射频微波集成电路工艺基础上，对其进行研究，是十分必要的。射频微波集成

6、电路射频微波集成电路（，缩写为），能把传输线，分立电阻、电容、电感以及有源器件等结合在一都可以集成在几平方毫米的芯片上。微波集成电路起，甚至全部的接收机系统乜。例如通信接收机前端和雷达发送及接收模块等，第章引言可以分为两类：一类称为混合微波集成电路（）以微带线为例，它以微带线上的金属导电层作为导体和传输线，将分立元件电阻、电容、二极管、晶体管焊接在基片上，这种最初发展于世纪年代。另一类为单片微波集成电路（）是第三代微波电路。通过多层工艺将所有有源、无源电路元件及其连接线集成在半绝缘的半导体基片内部或表面上所获得的微波电路。年国外一般删比的带宽要宽一些，还具有尺寸小、重量轻、功耗低、设计灵活、易

7、于改善性、工作的极限频率更高等优点。圜前对于潮王的总体要求并非集成度越高越好，而是要全面衡量成品率、价格、体积与电性能。有时可采用几个单片组合成整机的方式，称为混合单片集成电路，例如卫星广播电视接收机可由低噪声放大、混频巾放、本振三个单片组装褥成，成品率可以大幅度提高，节约成本，具有工程实用性。微波系统中的删器件包括：脚功放，低噪声放大器（），混频器，压控振荡器（），滤波器等。删的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。硅基集成电路无线收发系统射频前端的微波集成电路制造，一般采用或艺，但随着深压微米乃至纳米工艺技术的发展，传统赫器件的高频性能越来越好，其单位增益截止频率已经接近的水平，

8、在性能的各方面已初步具有了与一争高下的能力。虽然，树底的半导电特性与衬底的半绝缘性相比，会引起更大的衬底损耗，从而导致电路品质因素酶下降。但是与艺制造的相比，由硅材料制造的不仅成本低，而且可以与后端基带数字信号处理器集成到同一硅片上，成为的巨大潜力。在频率以下，射频集成电路的研究重点逐渐扶化合物半导体集成电路转向硅射频集成电路，在射频领域有着越来越多的应用，显示出发展为系统级芯片的优势昭。的基片材料一般多采用材料，具有低损耗，高介电常数，并且与会属有良好的附着力。年代，个人移动电话的迅速发展对半导体器件提出了更苛刻的要求，即低造价、低电压、低相位噪声、高效率。需要入们寻找更理想的半导体材料以适

9、应、的研究制造。例如，首先提出了，这种器件表现处了极好的性能，由于这是以硅为基片，所以器件工艺比较第章引言成熟，且造价低，易与现存的硅集成电路接口，其（放大器功率附加效率）可达。硅基最突出的特点就是具有极低的相位噪声。电感的市场需求与技术背景上世纪年代以来，个人移动通信，数字电视、广播及全球定位导航系统得到了迅猛地发展。这些产品的使用寿命，耗电量和重量体积是它们获得成功的关键因素。集成射频模块和基带数字信号处理单元在一个单硅片上可以满足上述要求。无源元件特别是电感，在射频前端系统中具有重要作用，其设计性能和制造工艺是人们关注的焦点，也是使电子产品更加便携的有效途径之一当前的收发器设计通常采用双

10、极工艺和艺制造低噪声放大器、混频器和压控振荡器；采用砷化锌（）或双极工艺制造功率放大器；采用工艺制造基带信号处理芯片等。目前，在印刷电路板（）上仍大量地使用薄膜技术或分立形式的无源元件。为了增加集成度，不同的电路模块和元件采用同一种工艺，制作在相同的衬底上。随着工艺的进步，艺晶体管的截止频率子）变得越来越高。与艺相比，工艺在价格、功耗方面都占有显著的优势，可以同时在艺中集成模拟和数字电路，因此可以实现更高的集成度，这使集成电路在较低频率范围的应用日益广泛。业界的目标是使得所有的收发器部分，无论是数字、模拟还是射频都采用标准艺实现。单芯片收发器是研究的目标和重点，在学术上和经济上都具有较高的价值

11、。在收发器前端部分，在上的主要成分是无源元件。虽然在整个电路中电感、电阻、电容占一个很小的比例，但是整体的无源元件价值超过了电路总价值的三分之一。最重要的是，随着中间级匹配网络的集成，单独的电路模块更加容易在艺上制造，进而大幅度下降的封装和试验费用。各元件的分立封装会引起较大的寄生电感和电容，当信号在上的元件间传输时，附加的能量不得不消耗在驱动这些附加的寄生电感和电容上，而单片集成就可以避免这些能量的消耗。单片集成减少了芯片与外部元件的焊接，进而提高了系统的可靠性。比如说，大部分无线通信的电路工作频率在一之间，电路使用的典型电感值为，用分立元件很难实现小值电感。表面贴片电感元件值的误差一般在，

12、由于封装的寄生效应，使得在以下的元件值误差变得更大。第章引言但是使用艺来严格控制特性，片上电感能达到较高的精度，生产的重复性节约了人力物力。同时，无源元件的集成使得阻抗匹配的设计更加灵活，以适应不同场合的需要。此外，分立的无源元件占据了大部分板的面积，微型的便携式系统需要较小的固定电路面积。由于需要很大的面积用于焊接附件和通孔，即使采用先进的封装技术，所节省的面积也是很有限的，所以将各个分立的无源元件集成在芯片上，可以有效降低面积。综上所述，芯片的单片集成具有低成本、低功耗、小面积、可靠性高、和设计灵活等优点。因此，集成电感成为射频集成电路设计的一个热点课题。电感在射频集成电路中的作用电感是磁

13、能存储元件，与电能存储元件配合使用可以实现很多功能。电感的低通高阻特性，在降低电源电压、滤波等电路中，有着重要的作用。例如，手持无线通信设备需要满足低成本、低电压、低功耗、低噪声、低失真等特性，没有电感，这些要求在许多情况下是无法满足的，所以电感是射频集成电路中不可或缺的元件。移动通讯设备工作的典型频率范围一，射频系统为了能在各模块电路之间有最大的能量传递，它们之间必须有阻抗匹配网络。当两部分电路的阻抗为复共轭时，能量传输达到最大。电感作为无源匹配网络的一部分，例如在设计低噪声放大器、混频器和放大器等电路模块时，匹配网络使电路具有较小的噪声、最大的增益、最小的反射系数和较高的优化效率。一电感除

14、了应用在匹配网络中，对于频率以上的压控振荡器，采用环振电路很难得到较低的相位噪声和较高的品质因数。压控振荡器的相位噪声主要取决于调谐回路的品质因数。就一般情况而言，使用电感的电路都是窄带电路，实际上，片上电感可以用于拓展频带。镜像滤波器是超外差接收器单片集成工艺的瓶颈，高质量的电感便可以有效解决这个问题，而收发器的切换开关也可以采用片上电感来解决。集成电感集成电感分为有源电感、金属互连线电感、键合线电感以及半有源电感。第章引言其中金属互连线电感是集成电感研究和使用的主要对象。有源电感在低频段可以通过使用有源器件模拟电感特征，而避免使用真实电感，并可以实现比较大的电感值和值。与无源电感相比，有源

15、电感具有电感值可调、芯片面积小的特点。但是有源电感无论其电路结构如何，都具有以下缺点：（）在高频上有源器件的增益下降，使得模拟电感实现起来比较困难。（）有源电感需要占用电压，降低其他电路的电压使用范围，故其电路的动态范围有限。（）有源电感给电路带来附加噪声。这些缺点致使有源电感不是所有场合都能使用，例如不能应用在高灵敏度的模拟电路模块中，因此要根据实际需求来选择电感的种类。在芯片的两个焊点之间、焊点与封装之间以及封装与封装之间焊接的金属线称为键合线电感。焊线适用于任何一种工艺，可以认为是标准集成电路元件。但是焊线在制作过程会产生垂直和水平方向的长度偏差以及金属线直径偏差，导致电感量的变化，所以

16、焊线电感生产的可重复性差，产品精度低。键合线电感的品质因素虽然可达，但是其电感值变化范围有限，一般在。焊盘等引起的寄生电容引起电感值的波动，可预测性和重复性差，限制了应用。但是键合线电感具有较高的品质因数，所以也有一定的研究价值。，由金属互连线构成的螺旋电感与艺兼容，稳定性好，并且可以实现较大的电感值范围，从几百几百，电路的设计更加灵活。此种电感不需要通过焊盘与外界连接，可降低成本，提高成品率，因此被广泛采用，是集成电感的主要形式，常被称为片上电感。半有源电感是一个值得研究的方向。例如，采用有源电路抵消无源电感电阻的方法，使电感具有更高的品质因数；实现片上的滤波器，可以替代片外的声表面波滤波器

17、，使得滤波器的频率不再拘泥于声表面波滤波器的材料特性，设计更加灵活啼。片上电感研究的现状由于射频和微波通信市场的巨大潜力，国际上很多大学在十几年前就开始研究片上电感，获得了不少研究成果。例如，采用衬底地屏蔽来降低半导体衬第章引言底电场损耗；在电磁场分析的基础上得到了著名的电感分析设计软口。早在年就有人研究过在硅片上做平面电感，当时得出的结论是在硅集成电路中集成电感是不实际的呻。直至年，有研究者首次发现电感能够在硅工艺集成电路制作。近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，人们越来越希望在射频集成电路中集成电感，以满足低功耗、高集成度的要求，使得硅基集成电感成为微电子领域一个新的研究热点。与半绝缘衬底

18、不同，硅衬底是半导体，衬底的损耗比较大，很难获得高的品质因数。最近，很多研究人员开始研究采用非标准工艺的方法来提高电感性能，比如使用高电阻率的硅衬底、将线圈下面的硅腐蚀掉等方法。硅基螺旋电感是实现片上电感的主要方式，它利用集成电路中的金属互连线围绕成螺旋状而使其具有电感的特性。在标准艺中，由于组成螺旋电感的金属连线电阻较高，高频硅基衬底的损耗较大，使得电感的品质因数普遍不高。螺旋电感处于复杂的电磁场环境下，其模型的建立和仿真也非常困难。多年来有众多学者致力于硅基集成螺旋电感的研究，主要集中在以下两个方面：（）建立硅基螺旋电感的模型。目前，电感的模型从经典的窄带模型们发展为可按比例缩小的宽带模型

19、。建模的主要目标是为了快速精确地对硅基螺旋电感进行仿真。（）硅基集成螺旋电感的设计和优化。主要目标是使电感的品质因数在一定的工作频率上最大化刳。电感的寄生电容影响了电感的使用范围和品质因数，因此也是分析研究的重点内容引。通常，电感采用并联的金属互连线顶部两层金属设计而成，具有固定的间距、线宽和内半径，通过不同圈数实现不同电感值。线圈的形状通常为圆形和方形。工厂一般只提供单端电感，不提供差分电感，而且多数没有地屏蔽，没有接地环。相对单一的电感种类，使得电路设计人员不能根据电路的具体需要来调整电感，比如增大金属线宽，并联金属层数等。因此电路设计灵活性的差，不能根据电路的实际需要增加或减少电感的寄生

20、参量，也不能任意调整电感值。片上电感研究存在的问题片上电感的品质因数较低且占据较大的芯片面积，是两个主要的研究问题。（）品质因数低。电感品质因数最通用的定义，即电感贮存的峰值磁能和第章引言峰值电能之差与其一个周期内的损耗之比。平面螺旋电感不同线圈之间的耦合系数比较低，串连电阻值较大，寄生电容和衬底的损耗也较大，使得片上电感的品质因数不高。尤其是标准艺的衬底是半导体，在衬底上的电能和磁能损耗更大，使得标准工艺设计片上电感成为难点和热点。（）电感占据的芯片面积较大。随着工艺技术的进步，芯片的特征尺寸也在不断的缩小，单位面积晶体管的数量迅速增加，成本不断地降低，而电路所需的电感值没有下降，这意味着电

21、感的有效面积不会随着特征尺寸的降低而降低。电感占据的面积与晶体管占据的面积比在不断地加大。图是一个线性功率放大器的版图，绝大多数面积是电感。在保证电感性能的前提下，降低电感占用的芯片面积是一个非常重要的课题。幽平衡式功率殿人器版图（）串扰片上电感可以采用保护环和地屏蔽等方法进行电场屏蔽，使得电感附近的电路受电感电场的影响很微小。使用标准艺，没有方法屏蔽电感磁场而又要保持其性能，不可避免的要拉大电感与其他电路的间距，降低电感磁场的耦合作用，这样就增大了电感的实际芯片占有面积。由上述分析可知，片上电感的研究需要电磁场、高频电路、工艺制造、高第章引言等数学等背景知识。往往研究电感的人具有物理背景，而

22、缺少电路知识，将电感作为一个元器件研究。具备电路知识的人往往又不具备物理背景，很难对电感进行优化设计。电感的设计要根据电路的实际需要来调整电感的电感值、寄生电阻和寄生电容，达到电路的最佳性能。功率分配器（威尔金森）功率分配器，简称功分器，是一个三端口网络，输出路等幅信号，是射频微波系统中广泛应用的无源器件。比如，应用于高功率放大器、平衡放大器、阵列天线反馈网络等系统中引。随着无线通信的发展，传统的利用传输线实现的功率分配器，在尺寸和性能上都无法胜任。工艺的进一步发展，减小功率分配器的尺寸是非常迫切的需要。例如，三维技术，集总参数技术，以及负载电容方法等。其中集总参数技术是研究最广最深入的技术，

23、而且制造集总元件的硅基微电子技术，以其低损耗，低成本，高效率的优势，成为当代国际微电子领域的一个研究热点。利用集总参数元件，硅基微电子集成电路工艺，使得功率分配器的尺寸大大降低，适应了目前无线通信设备片上集成、小型化的要求。于此同时，对片上集总无源器件的优化设计和工艺改进，可以进一步提高功分器的性能。其中，平面螺旋电感扮演着一个重要的角色，是直接影响性能的关键器件。其工作性能往往随着工作频率的上升而出现的衬底损耗而下降，因此，有效的分析并获得模型和网络参量，并掌握电感性能随着工作频率改变的特性，优化硅基集成平面螺旋电感的性能，最终以之改善功率分配的性能。然而，在研究硅基平面螺旋电感的同时，发现

24、片上电感存在占用面积达，不利于系统集成，寄生元件多，值低等特点，导致功率分配器较高插入损耗和有限的带宽。因此，优化片上电感，使其有着更高的品质因素来提升整个无源器件的性能，是一种可行有效的解决办法。采用工艺实现的硅基单片集成电感，使得在减小尺寸的同时，得到更低的损耗，更优的性能。选题背景第章引言近年来无线通信的迅猛发展，对设备的集成度和性能要求越来越高，尤其是射频前端的微波集成电路设计和工艺，有着很大的市场需求量和技术高标准。更加深入的研究和更广泛的生产应用，特别是硅基：艺的发展，突破了片上系统发展的瓶颈，硅基片上集成电感满足了低损耗，高集成的要求，逐渐成为研究的热点。功率分配器，作为一种应用

25、广泛的无源器件，其尺寸和性能直接影响着整个系统的工作质量。功率分配器早在世纪年代就被提出，是研究较早，最常见的功分器。在基本结构框架上，如何应用现代的射频、微波集成电路技术，硅基艺，使其有着新的突破是研究的重点和难点。硅基与半绝缘衬底不同，硅衬底是导电的，在此上做电感，衬底损耗难以获得高的品质因素。近年来，随着无线通信技术的快速发展，人们希望在中集成电感，以满足低损耗，高集成的要求，使得硅基电感成为国际微电子领域的一个研究热点。、本论文就是在无线通信技术对射频集成电路需求的大背景下，详细介绍和研究了平面螺旋电感，以及有着多种应用的器件一功率分配器。通过对最常用的功率分配的研究，如何结合现代硅基

26、集成电感设计和制造技术，找到性能的成因和改进的突破口，是本论文研究和讨论的重点。为将来进一步开发射频集成电路和无线通信系统打下知识基础，和必要的技术的贮备。通过采用进行电路级仿真，版图级仿真，在对功率分配器结构，硅基正方形平面螺旋电感的研究和分析基础上，提出和讨论了如何改进功率分配器性能的具体方法。介绍了采用有源电路实现功率分配电路的方法，并对其进行了一定的研究和讨论。论文的研究内容和结构本论文集中研究采用先进的射频集成电路，研究和分析了片上电感，以及如何设计高性能小型化的功率分配器，是无源器件领域的一个热点。论文的结构和各章内容如下：第二章介绍了耦合器常见的几种类型。在对采用传统传输线实现功

27、率分配器的结构进行介绍之后，针对其小型化的要求，重点介绍和分析了集总参数元件等效传输线的结构。又对含有移相器的功率分配器进行了讨论。通第章引言过进行电路级仿真，使结论更加壹观清晰。第三章介绍了硅基平面螺旋电感的基本类型、结构、以及物理特性。对寄生和损耗的原因和其对电感性能的影响进行了详细的说明。重点分析了一层介质上的正方形螺旋电感的模型，并褥出了定量计算的公式。第四章首先提出进一步提高电感值，改善功率分配器性能的方法。通过大量仿真，得到电感设计中各种参数设计的规律，并总结出提高电感性能的方法。最后仿真并分析了采用隔离层减小沉底损耗以提高性能的方法。通过仿真，找出电感值和隔离层厚度的规律。第五章

28、主要是根据前述章节所阐述的，集总参数元件实现的功率分配器进行电路级翻版图级的仿真，得到片上电感不同的参数对电感性能的影响规律，以及分别采溺理想元譬、片上电感实现昀功率分配的性能眈较和讨论。通过，对增加隔离层的片上电感实现的功率分配器的仿真，得到更加优化的性能。第六章先介绍了几种有源电感的结构和基本工作原理，接着采焉有源电感设计了一分二的功率分配器，并通过仿真，得到比较直观的性能特点。最后比较了有源电感、无源电感实现的功率分配器的仿真性能，分析结果，得出结论。第章功率分配器第章功率分配器功率分配器（简称功分器）和耦合器都是重要的无源微波器件，可用来对功率进行分配或合成。可以是有耗或无耗三端口、四

29、端口器件。三端口网络通常采用型结形式，而四端口网络采用定向耦合器和混合网络形式。功分器可以是等分（）形式，也可有不相等的分配。耦合器可以设计为任意功率分配比，而混合结一般是等功率分配，且输出端口之间有（正交）或（魔）相移。功率分配器和耦合器在世纪年代，美国麻省理工大学辐射实验室发明和塑造了种类繁多的波导型耦合器和功率分配器。它们包括和平面波导型结、波导魔等。年代年代，又发明了采用带状线或微带线技术的耦合器。平面型传输线应用的增加，也导致了新型耦合器和公分器的开发，如功率分配器、分支线混合网络和耦合线定向耦合器等钔。首先介绍常用的功率分配器和耦合器。兰格（）耦合器兰格耦合器是一个四端口的微带耦合

30、器，原理框图如图所示。四个并行的微带线两两交叉连接在一起。的兰格耦合器，当信号从端口输入时，端和端有相差为的等幅信号输出，但端口无信号输出，是一种正交耦合器。理想兰格耦合器的散色参量矩阵为：。二（）第章功率分砑已器度支线耦合器分支线耦合器是一个四端口网络，其原理框图如图所示。结构中有两对四分之一波长的传输线，每一对的特性阻抗与输入、输斑传输线的特性阻抗均不同，在给定耦合系数（）的情况下，其设计公式为：（）（）当所有端口均匹配时，信号幽端口出入，端口和端有相位差为的等幅信号输出，但端口没有信号输出。当端豳输入信号时，端口和端阴有相位差隽的等幅信号输出，儇端露无输出。因此端日和端是相互隔离的，其理

31、想的敖色参量矩阵为公式（）。分支线耦合器具有很好的对称性，四端口中的任一端口均可作为输入端口，位于输入端口对面的两端口为输出端口，位于同侧的端网为隔离端翻。功率分配器功率分配器是一个三端口网络的耦合器，主要由一个设计在中心频率处的四分之一阻抗变换器构成，其原理框图如所示。信号从端口王输入，则端口和端（假设端口均匹配）有等幅同相的信号输出。若讲信号的流向调转，即信号从端和输入，从端口输出，功分器就变成了一个功率合成器。由结构图可知，在输入端与每个输出端之间都含有一段膨的传输线（童为传输线的工作频率的波长），该段传输线的特性阻抗）。输入、输如传输线的特性阻抗为，且各端口匹配。毛勰磊枣毛（）在两并行

32、分支间添加一个阻值为的电阻，以吸收可能的反射信号，当输出端中的任何一端因失配而产生反射时，其反射信号将会在传输线与电阻之间平分，各自传输到另一输出端时为一对等幅反相信号丽相互抵消。功第章功率分配器率分配器的散色参量矩阵为：嘣出出（）图兰格耦合器功率输出功图分支线耦合器图功率分配器第章功率分配器集总参数功率分配器功率分配器通常主要由一个设计在中心频率处的四分之一阻抗变换器构成。但是随着和薄覆膜技术的普遍应用，传输线的尺寸就显得过于庞大，特别是频率低于。比如特性阻抗，在一基板占，）上，厶时长度约为。为此研究者们探索出新的办法，如用集总参数元件实现的丁型或万型网络，来等效四分之一波长阻抗变换器拍，。

33、由此可以大大减小电路尺寸，降低制造成本。网络等效四分之一波长传输线电长度为曰，特征阻抗为乃的传输线，其等效的网络如图所示。丁型和万型网络分别为右手低通相位滞后网络、左手高通相位超前网络。为中心角频率。电容和电感的值可以由公式（）、（）、表计算得到。图万型和丁型网络：生厂。（护）（）（）：厶）“、，表电感的计算值一。以（目）矗（秒）一功率分配器结构和仿真分析第章功率分配器右手低通万网络等效州传输线，电长度，传输线特征阻抗为乏弦芝，脚，工作中心频率。功率分配器结构如图所示。仿真后得到图所示的性能。图集总参数功率分配器图集总参数功率分配器（）同波损耗和隔离度（）插入损耗采用级联的形式，在结构的基础上

34、可以得到一分四的功率分配器，即将输入信号分成四路等幅等相的信号输出。同样，微带线结构除在尺寸受到很大制约外，其级联的形式给制造工艺带来很大的难度。因此，采用网络等效传输线进行级联，可以得到一分四的功率分配器。其结构如图所示，性能仿真如图所示。第章功率分配器图集总参数一份四功率分配器图集总参数一分四功率分配器（）回波损耗和隔离度（）插入损耗由以上仿真结果可以得知，在一范围内，回波损耗、隔离度和插入损耗近似等于理想状态。但是带宽过于狭窄，在某些应用情况中不能很好的满足要求。所以功率分配额的带宽是影响性能的主要因素之一。输出三端口功率分配器两端口输出的功率分配器能衍生成多路功率分配器，图所示。微带线

35、工艺使这种结果制作在一个平面上非常困难。然而，集总参数的形式却能轻松解决这个问题，其电路结构如图所示。第章功率分配器压图三路功率分配器图三路集总参数功率分配器根据图所示的电路结构图进行仿真，其中，工作中心频率，胛，是经验电阻，通过调节可以改变功率分配器的性能和带宽，仿真结果如图所示。第章功率分配器，曩垂，毒暮图集总参数一分三功率分配器（）网波损耗和隔离度（）插入损耗不等分功率分配器设计功率分配不等分的功率分配器，而且各个端口要求匹配。如图。所示，鳃分之一传输线和用了医配输出端羽。采用集总参数元件网络进行等效，得到图的电路结构图。工作中心频率，输出端口和的输出功率不等分。墨，之，磊，最，然仿真结

36、果如图，输出端口的功率分配比为。，圈不等分功率功率分配器结构图第章功率分配器图不等分功率功率分配器集总参数电路图强吣籼卜争州卅玲刮心：“一、，图功率分配比含有移相网络的功率分配器如前文所述，功率分配器是射频微波系统中常用的无源器件。而输出两路相位差信号的功率分配器是无线通信系统中重要的设备。例如，（）功率分配器广泛应用于镜像抑制混频器、平衡放大器和调相器。因此这类功率分配器在输出端处带有一个移相网络，以使原本输出等相的信号，变成有相位差的两路信号力。集总参数无源移相网络的功率分配器使用图所示的丁型和万型网络（右手低通相位滞后网络、左手高通相位超网络），根据表的计算公式，采用集总参数元件，便可以

37、可到±（一。）第章功率分配器的移相网络。度功率分配器在图的基础上，在输出端口和处添加移相电路，即万型右手低通网络和万型左手高通网络，分别产生“的相位超前和的相位滞后，故两路输出信号之间有的相位差，电路结构如图所示。其中，嘲，蚴，工作中心频率，仿真后得到图所示的结果，在范围内两路输出信号的相位差几乎恒定为。图功率分配器呐舢图集总参数功率分配器（）回波损耗和隔离度（）插入损耗和输出信号相位著第章功率分配器度功率分配器若需功率分配器的输出相位为，则使用万型右手低通网络和型左手高通网络，分别产生的相位超前和的相位滞后，电路结构如图。工一咖一图功率分配器其中，易，工作中心频率厶，仿真后得到图所

38、示的结果。（）冒已臼墨鼻鼻夤图集总参数功率分配器（）回波损耗和隔离度（）插入损耗和输出信号相位差实践设计与分析工作中心频率，采用商用器件，电容、电感、隔离电阻分别采用标准一薄覆膜电容（），电容绝缘介质厚度为。微带螺旋电感（），和薄覆膜电阻（）。基板的参数为，。仿真结果如图第章功率分配器所示。图（）回波损耗和隔离度（）插入损耗采用了一系列非理想元件，电路之间的耦合效应使电路特性发生漂移和退化，工作中心频率已不在设计的厶。低值的螺旋电感，其电感值变化如图所示。：一：了，；一。工，能图微带螺旋电感值由上图可知，电感值的非线性变化，随着频率增大，越来越接近电感谐振频率，致使在匹配上有偏差，工作的中心频

39、率发生了漂移。同时插入损耗恶化，带宽非常狭窄。若要获得较好的性能，需增大了电感线圈直径，但增大了电路尺寸，也增加了工艺的复杂度。功率分配器中螺旋片上电感占用的面积最大，是直接影响到功率分配器性能的重要元件。因此，本论文将在第章中就此问题，从物理模型、数学分析、参数控制、设计优化到工艺选择，进行了深入的研究和探讨。第章功率分配器本章小节本章介绍了几种常用的耦合器，重点介绍了功率分配器的结构和原理。针对、型化的要求，采用无源网络，等效传统功率分配器中四分之一波长传输线的方法，设计了的功率分配器，并对电路进行了仿真，得到理想的结果。采用级联形式，在已设计的集总参数功率分配器基础上，设计并仿真了一分四

40、功率分配器。增加移相网络，使输出信号产生相位差，以适应更多的设备需求。设计仿真了输出信号相位差为坩的功率分配器。采用常用的商业器件来仿真集总参数功率分配器，由仿真结果可以看到，由于元件的非理想性和随着频率的非线性变化，导致工作频率的漂移，带宽进一步缩小，越是接近网络谐振频率，性能越恶化，甚至完全失配。第章片上电感的物理模型与特型分析第章片上电感的物理模型与特性分析商业化发展的需求以及技术的推进，低成本的工艺设计单芯片射频收发机得到广泛生产应用。片上电感是非常重要而且必不可少的无源器件。但是由于金属导体损耗，半导体衬底的电磁损耗，使标准工艺的片上电感品质因素很低，直接影响到整个系统的性能。例如，

41、压控振荡器（）的相位噪声主要取决于谐振回路的品质因素；镜像滤波器是实现工艺单片集成超外差接收器的瓶颈，高质量的电感对于实现镜像滤波器是非常有用的。因此，对工艺片上电感的研究和优化设计，是十分必要的。就一般情况而言，电路设计人员会直接使用芯片代加工厂提供的通用片上电感。这些电感一般只是采用互连线顶部两层金属的并联设计而成的，电感的内径、线宽和间距相同，不同的圈数实现不同的电感值。但是，这些通用电感很难优化所有射频电路的设计。例如设计一个的接收机，并不一定需要片上电感的自谐振频率达到，将几乎所有的金属层并联来降低电感的串联电阻，提高电感的品质因数，一般也能满足电路对电感自谐振频率的要求。另外代加工

42、厂的电感一般不提供用降低损耗的措施，比如提供电感地屏蔽层，以减少电感衬底的电场损耗。实际的片上电感不是理想元件，除了自身固有的电感之外，还具有寄生电阻和寄生电容以及衬底损耗。多数电路设计人员，并不是十分了解片上电感的物理属性，很少考虑自己优化片上电感，而简单的将电感当成一个元件使用。本章的任务就是详细分析片上电感的固有参量和寄生参量的物理属性，为片上电感的优化提供理论依据。金属互连线电感是应用最为广泛的，也是集成电感研究的主要对象。本章重点研究和分析金属互相连线电感中最常用的形式一平面螺旋电感。串联电感电感是磁能贮存元件，在自感基础上通过不同电感线段之间的互感，相互增强来实现较大的电感值。电感

43、设计的一个重要目标，即使用较小的芯片面积第章片上电感的物理模型与特型分析来实现合理的电感值和相对理想的品质因数。自感交变的电场可以产生磁场，用安培定律来表示两者的关系：×曰叫，啦等（），其中、分别为材料的磁导率和介电常数。等式右边的第一项代表常规电流产生的磁场。第二项代表两个导体之间由于位移电流（由于电容耦合在两个导体之间流过的交流电流）产生的磁场。由于集成电感线圈的电流远远大于线圈之间的位移电流，第二项是可以忽略的，这个假设称为准静磁近似。积分形式的安培环路定理为：扣刃（，归豢凼法拉第法则陈述了交变的磁场产生了一个诱发的电场：（）：一丝（）积分形式的法拉第法则为：一，一警是金属互连

44、线的基本物理属性，反映了导体几何轮廓和磁通量的关系。，。（）使用安培定律和法拉第法则就可以分析磁场和电场之间的相互作用。电感只要通过导线回路的磁通量发生变化，回路中便产生感应电动势产生。同样，当回路中有电流流过时，该电流产生的磁通量又必定通过此回路。当一个线圈通过交变电流时，它产生的变化磁通量，必将在自己的回路中激起感应电动势。这种因为线圈中变化的电流所产生的磁通量的变化，因而在线圈自身回路中激起感应电动势的现象，称为自感现象，这个电动势就称为自感电动势。当线圈中通过的电流为，根据毕奥一萨伐儿定律，该电流在空间任一点所产生的磁感应强度都与回路的电流成正比，磁通量也与电流，成正比即：三：皇（）第

45、章片上电感的物理模型与特型分析上式中，称为自感系数。它的数值与线圈的大小、匝数，几何形状、及线圈的磁介质有关，其单位是亨利。互感两个相邻线圈的磁场互相通过对方的包围面积，当电流发生变化时，由线圈中的电流厶所引起的变化磁场在通过线圈时，会在线圈中产生感应电动势；同样，线圈中的电流厶所引起的变化磁场在通过线圈时，也会在线圈中产生感应电动势。两个载流线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象，所产生的电动势称为互感电动势。电流引起的变化磁场产生的通过线圈的磁通量：必与电流成正比：，：笠（），生一（）式中，：和：。是两个比例系数，它与两个线圈的大小、匝数、位置、几何形状以及周围的磁介质有关。当这些条件不

46、变时，。鸠，是个常数，称为线圈的互感。这样互感表示为：笠：盟（）当两个线圈耦合时，还可以系数表示它们之间的耦合程度，称为耦合系数。耦合系数的大小为：七：粤竺厶厶（）耦合系数的大小表示两个线圈耦合的紧密程度，由于互感系数的大小与两个线圈的相互位置和方向有关。当两个线圈的轴线一致时，靠得越近，耦合得越紧密，耦合系数也随之增大。但是，耦合系数总是一个小于的下数，这是因为无论两个线圈耦合得多么紧密，总存在漏磁。当两个串联线圈厶和厶的电流方向一致时，其磁场方向是相同的，这时候互感是相互加强的，互感系数是下的，两个线圈的自感电感总量为：第章片上电感的物理模型与特型分析己厶心（）当厶和厶的电流方向相反时，它们的磁场方向是相反的，互感是相互减弱的，互感系数是负的，两个线圈的自感电感总量为：三厶心一（）电感的大小与自感和互感有关，因此设计电感时，应尽量增大电感的自感和正互感，减小负互感。电感值的计算已知电感的结构和几何参数，理论上是可以计算电感值的。直流电感可以通过公式文献引或者文酬方法精确地计算得到。趋肤效应、邻近效应和衬底变压器效应都是影响电感线圈电流分布的因素，因此必须考虑这些参数才能得到准确的通用简单计算公式。线圈的电感值除了自感和线圈之间的互感外，还有