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研究(可编辑)(常用版)

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研究（可编辑）（常用版）(可以直接使用，可编辑完整版资料，欢迎下载）

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研究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研究（可编辑）（常用版）(可以直接使用，可编辑完整版资料，欢迎下载）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20211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,功率分配器.,.嬲弱.缸.,....,..:,,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,都可以集成在几平方毫米的芯片上。..微波集成电路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,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。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%%,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,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。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,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。功率分配器利用集总参数元件,硅基微电子集成电路工艺,使得的尺寸大大降低,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《Ⅲ。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:.嘣六出出图.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,。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?一矗秒?...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.脚,.,,工作中心频率乏√弦√芝,。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结构的基础上可以得到一分四的功率分配采用级联的形式,在器,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∞一∞卅玲刮强吣籼卜争州心:“、.......,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..功率分配器度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,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:‘.,。..一々..一警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。电感是金属互连线的基本物理属性,反映了导体几何轮廓和磁通量①的关系。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①也与电流,成正比即:三:皇.第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①: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.己厶心互感是相互减弱当厶和厶的电流方向相反时,它们的磁场方向是相反的,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,还有衬底涡流和电感线圈之间的变压器耦合电感,该值为负数,表示衬底的磁能损耗。但是在℃℃之间的温度范围内,其变化对电感的影响可以忽略不计的文献啪。..电感值与面积成本近十几年来,晶体管的面积大幅度缩小,成本随之下降。电路的工作频率和结构基本决定了所需的电感值,这意味着电感值的需求基本不随摩尔定律下降。电感在芯片当中占据的面积与晶体管占据的面积之比越来越大,使得电感的芯片相对成本不断增加。除了提高电感的品质因数,降低电感的芯片面积成为继此之后人们关注的另一个研究热点。降低电感的芯片面积可以采用以下三种方法:采用叠层串联电感。叠层串联电感是垂直结构,相同电感圈数,比平面螺旋电感占据的面积小,而线圈之间的耦合系数高。相同电感值,进一步降低电感的面积。增大电路的工作频率。以振荡器为例,在高频下需要的电感值就很小。现在采用标准工艺实现的电路工作频率,可以达到毫米波水平。尽量避免使用电感,或者尽量使用小电感值的电感。第章片上电感的物理模型与特型分析.片上电感由金属互连线构成的螺旋电感与工艺兼容,稳定性好,电感值可实现的范围较大几百一几百,电路设计灵活。不需要通过焊盘与外界连接,成本低,成品率高,是集成电感的主要形式,被广泛采用,常被称为片上电感。..平面螺旋电感硅基片上电感主要是螺旋型的,即平面螺旋电感,它是利用标准工艺中的两层或多层金属层来实现电感元件,其中一层用作螺旋式电感线圈,另外一层用作把中间的接头接出来的引线。内圈的终端引出线要用隔离层如.熨’做绝缘层或用空气桥跨接,制作工艺技术比较复杂。目前,平面螺旋电感主要有四边形、八边形、六边形和圆形四种形式。其中四边形的结构和芯片布局布线的方块结构相兼容,且螺旋电感的版图最容易生成,所以被芯片制造厂商的应用也最广泛。图.和图.为四边形一层介质平面螺旋电感形状示意图。电感独立的几何结构参数包括:金属的线宽矿,金属带条的间隙宽度,金属层厚度,线圈的圈数Ⅳ,外直径。,内直径以,以及衬底的厚度,衬底的相对介电常数,。图.四边形螺旋电感平面图的俯视图第章片上电感的物理模型与特型分析图.四边形螺旋电感平面图的侧面图..物理模型在高频时,由于涡流效应和衬底损耗,电感在储存磁场能量的同时,还通过欧姆损耗消耗能量的寄生电阻和储存电场能量的寄生电容,这些电阻和电容值称为寄生参数。这些寄生参数所产生的寄生效应,是限制电感性能提高的主要因素,要提高电感性能就必须减小或者削除这些寄生因素。因此,有效的分析并获得电感的模型及其模型参数,并掌握电感性能虽工作频率改变的特性,是非常有实用价值的。根据斯坦福大学的.等提出的集成电感的集总参数物理模型口¨,如图.为电感物理模型,图.为等效电路。下面就对图中的参数做出具体解释啪。?、,一’,.、,、’’’’似似图.平面螺旋电感模型第章片上电感的物理模型与特型分析‘。图.平面螺旋电感模型等效电路图中
是总电感量,尺是整个电感线圈的电阻,其考虑了有限厚度导体的趋肤深度及条状导体的电流分布因素。由于电感层与终端引出层之间有绝缘层存在,当微电感中有电流时会在这两层间形成电场,即形成电容。图.体现了实际微电感中存在的各种寄生效应内圈的终端引出线用氧化绝缘层引出。在电感层和衬底层间添加氧化绝缘层来设计终端引出线,本小节中的物理分析和数学推导都基于此种结构。绝缘层图.平面螺旋电感中寄生效应立体示意图;是金属连线和衬底间的寄生电容,心是衬底本身的寄生电阻,,则是衬底本身的寄生电容。各参数的计算公式如下:..万.一叫肛南.沪臣』第章片上电感的物理模型与特型分析.刀.形.士慨四巳≯肌。.丢。形.%也而乞式中,为电感金属导线的直流电阻率,,为电感线圈总长度,万为金属趋肤深是电感层与终端引出层的交迭数,度,‖为金属磁导率。为电感圈数,弗‰.一鸩为电感层与衬底层间绝缘氧化物的厚摩,是电感层与衬底层间氧化物的厚度,%是衬底的单位面积电容,瓯是衬底的单位面积电导。.寄生与损耗任何金属在通常条件下都具有阻抗。集成电路互连线是金属薄膜,用的最多的材料是铝,其次是铜和金,厚度一般从.到不等。金属的直流电阻比常规的分立电感大,而且高频电磁现象,电流拥挤效应以及电感与衬底之间的变压器效应增大了电感的交流电阻,加剧了电感的欧姆损耗∞:金属通电就会产生电场,而电感的线圈平行于衬底,意味着电感的电场能穿过衬底。电感与衬底之间有一层绝缘层,一般芯片的衬底接地,电感与衬底之间就会形成电容,称为电感衬底耦合电容或者电感与衬底之问的电容。电感不同部位对应的衬底有不同的压差,也就会产生不同的电容耦合衬底电流,以欧姆损耗的方式将电能转换为热能消耗掉。电感线圈之间是绝缘介质,线圈的电压不同,意味着相邻的线圈之间会形成电容。电容会贮存电能,还会将电感一端的信号直接传递到另一端。电感线圈平行于衬底,使电感的磁场几乎垂直的穿过衬底。交变的磁场会在衬底感应出与电感方向相反的涡流。涡流产生的磁场与产生涡流的磁场方向相反,降低了电感的磁通量,进而减少了电感的磁能储存。同时涡流的流动会第章片上电感的物理模型与特型分析将磁能转换成电能,以焦耳热的形式散发出去。当片上电感的几何长度和工作波长相当的情况时,比如毫米波,片上电感会像天线一样将自身的电磁场发射出去。而大多数电路的工作波长远远小于电感的长度,所以电感的辐射可以忽略不计。..串联电阻分析电感的串联电阻包括四部分,即直流电阻如、趋肤效应增加的电阻/,邻近效应增加的电阻尺一,以及电感与衬底之间变压器效应增加的反射电阻。其中和是电流拥挤效应引起的电阻,电感多圈时很难将它们分开.而的本质是将衬底当成电感的副线圈,从原线圈电感看进去的等效电阻.直流电阻电感的直流电阻如是电感通过的恒定电压和直流电流的比值。这时候的阻抗只是电感线圈的直流电阻,没有电抗成分和高频效应成分。如是线圈的本质属性,是最基本参量。电感的其它串联电阻都是如与对比分析其大小变化和影响的权重值。电感的直流电阻可以使用如下公式计算得到:.如:堂型赴?。。。式中,。、口、、,、、分别为电感在时的金属电阻率、金属电阻率温度系数、摄氏温度、长度、厚度和宽度。为某层金属互连线的方块电阻由于工艺同一层互连线的金属厚度基本不变,往往定义单位长度和宽度的导体电阻为方块电阻。由于金属的电导率是温度的函数,直流电阻随温度改变而变化。这里忽略电感的几何尺寸随着温度变化对电感电阻的影响。对于金属铜和铝,在不同的环境温度下,其电阻率分别为.、.。大多数金属一般都具有正的电阻率温度系数,从公式.可知,电感的串联直流电阻将随着温度的升高而增大。趋肤效应在直流电路中,均匀导线横截面上的电流是均匀的。当交变电流通过导体时,由于导线周围存在电磁场,导线本身就会产生涡流,涡流的磁场会引起高第章片上电感的物理模型与特型分析频交变电流趋向导线表面,使导线横截面上电流的分布不均匀,即表面层上的电流密度最大,随着进入导体深度的增大而减小。这种现象称为趋肤效应瞳制。趋肤效应使有效的横截面积减小了,从而增加了它的等效电阻。由于趋肤效应而增大的电感线圈的串联电阻,称为为趋肤效应电阻足。趋肤深度定量描述了趋肤效应的大小,令为导体表面至内部的 数字化游戏学习的研究摘要随着现代信息和多媒体技术的日新月异,数字游戏(DigitalGame)得到了前所未有的发展和普及。无论从社会、经济和文化的角度来看,数字游戏在现代人的生活中都扮演着越来越重要的角色,正在逐渐成为现代社会生活重要的组成部分。数字游戏作为一种新型娱乐形式正在逐渐超越各类传统娱乐,成为传媒界关注的新宠儿。与在经济领域的快速发展相对应的,数字游戏正对全球的文化,尤其是青年人的文化产生着巨大的影响。面对数字游戏的快速发展,和她给青少年带来的一系列负面的影响,一些数字游戏的支持者试图从全新的角度看待数字游戏,他们认为游戏产业的蓬勃发展证明了游戏本身具有的极大魅力,正是这种魅力使游戏对青少年产生巨大的吸引力。因此从上个世纪80年代初,对游戏持有乐观态度的教师和学者逐渐开始关注并昀终惊异于游戏的这种力量,他们意识到与其跟数字游戏普及化的浪潮相抗衡,还不如仔细思考如果能够将数字游戏这种新的具有强大力量的媒体应用于学习过程来进行数字化游戏学习(DigitalGame-BasedLearning),目的是研究如何能使学习也变得跟游戏一样有趣、有吸引力并且有效。本文就是在这样的背景下,对国外数字化游戏学习的研究现状,存在的问题和未来的发展进行介绍、归纳和分析,并试图为我国的数字化游戏学习的研究和实践提供有益的借鉴。全文共分为五个部分:第一部分是绪论,主要介绍研究的缘起,国内外研究现状,研究方法和研究目的。第二部分主要介绍相关概念,数字游戏的国际影响力,数字游戏的吸引力以及关于数字游戏的负面影响的研究与思考。第三部分主要从三个方面研究数字化游戏学习的理论基础,包括相关的游戏理论、学习理论,并探讨数字游戏能促进哪些学习。第四部分介绍数字化游戏学习在实践中的应用方式,重点介绍如何利用商业游戏进行数字化学习,以及数字化游戏学习的未来发展。第五部分主要是结合我国的实际情况,通过对数字化游戏学习理论和实践的探讨,得出对我国数字化游戏学习发展的启示。关键词:数字化游戏学习、数字游戏ABSTRACTAstherapiddevelopmentofmoderninformationandmulti-mediatechnology,digitalgamehasgotmuchmoredevelopmentandpopularizationthanbeforeConsideringsocial,economicalandculturalfield,digitalgameisplayingmoreandmoreimportantroleinthelifeofmodernpeople,andbecomingimportantpartofmodernsociety.Asanewtypeentertainmentform,digitalgamehasexceededanytraditionalentertainmentforms.Besides,digitalgamebringsgreatinfluencetoglobalculture,especiallythecultureofyouthaswell.Facingtherapiddevelopmentofdigitalgameandthenegativeeffecttoyoungpeople,someproponentsofdigitalgametrytolookonitinabran-newpointofviewthatthevigorousdevelopmentofdigitalgamemarketprovesthegreatcharmofgames,whichbringshugeattractiontoyoungpeople.Therefore,atthebeginningof1980s,theproponentsbegantopayattentiontodigitalgameandweresurprisedtothegreatpowerofgames.Theyrealizedthatitwasmuchbettertousethepowerofgametopromotelearningthantorejectthepopularityofdigitalgames.DigitalGame-BasedLearningcanchangethewayoflearningandmakeslearninginteresting,attractiveandeffectiveAccordingtothiscontext,thisarticleintroduces,concludesandanalyzestheactualityoftheresearch,subsistentproblemandthefuturedevelopmentofdigitalgamebasedlearning.ThisarticlealsotriestoprovidemeaningfulrevelationtotheresearchandpracticeofDigitalGame-BasedLearninginChina.Therearefivepartsofthisarticle:Thefirstpartgivesthereasonofthestudy,theactualityoftheresearchinandabroad,andthepurposeandmethodofthisstudyThesecondpartintroducessomeconcepts,theinternationalforceofdigitalgame,theattractionofdigitalgame,andthenegativeeffecttoyoungpeopleandthesocietyThethirdpartanalyzesthetheoryfoundationofDigitalGame-BasedLearning,includinggametheory,learningtheoryandwhichkindsoflearningdigitalgamescansupportTheforthpartintroducesthepracticalimplicationmethodsofDigitalGame-BasedLearning,especiallyhowtousecommercialgamesinclass,andthefuturedevelopmentofitaswellThelastparttriestogivesomeinspiretoourcountryonhowtopromotetheresearchintheoryandpracticeKeyWords:DigitalGame-basedLearning,DigitalGame目录绪论1第一节研究缘起1第二节研究现状2第三节研究方法和目的4第一章数字化游戏学习研究产生的背景5第一节游戏、数字游戏和数字化游戏学习5第二节数字游戏的国际影响8第三节数字游戏的吸引力10第四节数字游戏的负面影响12第二章数字化游戏学习的理论基础14第一节游戏理论??数字游戏为何促进学习14第二节学习理论??数字游戏怎样促进学习18第三节数字化游戏学习??数字游戏促进哪些学习25第三章数字化游戏学习的实践应用及未来发展29第一节数字化游戏在实践中的应用方式29第二节利用商业游戏进行数字化游戏学习的实践探讨32第三节数字化游戏学习的未来发展39第四章数字化游戏学习研究与应用对我国的启示40第一节社会舆论对我国数字化游戏学习的导向作用41第二节理论研究对我国数字化游戏学习的指导作用42第三节游戏厂商对我国数字化游戏学习的推动作用43第四节一线教师对我国数字化游戏学习的实践作用44参考文献46后记49绪论第一节研究缘起自人类社会进入21世纪以来,数字化媒体和网络技术的日新月异为现代人的生活带来了无限可能,人与技术的关系变得前所未有的密切。在这样的数字化时代背景下,将教育与数字化技术相融合的要求也越来越迫切。如何将教育和数字游戏相融合,成为近几年国内外学者开始关注的新课题。这一课题的提出主要基于两个必然的原因:一方面将学习与游戏相融合向来是很多学者倡导的理念。游戏能为学习者提供自然的学习环境,激发学习者的兴趣,使学习者在不知不觉中掌握所学的知识。随着数字化游戏的产生与蓬勃发展,这一理念必然将游戏的范围扩展到数字化游戏领域。正如克劳福德(Crawford)指出的那样:“所有的游1戏在某种意义上都是一种教育活动”。数字化游戏的优越性更是以往任何游戏所无法比拟的,它具有仿真性、互动性、趣味性和安全性,能为学习带来无限可能。另一方面随着近些年数字化游戏的兴起,各类电脑游戏和网络游戏大行其道,使越来越多的青少年由于沉溺其中而荒废了学业。电脑游戏在教师和家长心中已成为洪水猛兽,对孩子只有毒害没有益处。在这样的情形下,如何将游戏与教育妥善融合,使游戏发挥其应有的教育作用,成为很多学者致力于研究的课题。数字化游戏学习(DigitalGame-BasedLearning)理论抛弃了以往将数字游戏仅仅作为教育媒体的概念,转而探索如何将数字游戏转变成为虚拟的、生动的、交互的和仿真的学习环境。数字游戏本身就具备了发生学习活动必备的基本要素,而数字游戏的昀大特点就是能为学习者带来前所未有的乐趣。21世纪的学习革命正在试图冲破它一贯受到的束缚。学习正在向着以学习者为中心和带来乐趣的方向发生变革。为学生带来乐趣,为教师带来乐趣,为家长带来乐趣,为监督者和管理者带来乐趣等等。马克?普兰斯基(MarcPrensky)在介绍他的新书《数字化游戏学习》(DigitalGame-BasedLearning)时说,“过去几百年来挡在学习与乐趣、工作与游戏之间的隔墙正在颤颤发抖,并行将崩塌。正像政治世界中的柏2林墙一样,虽然苟延残喘了一段时间,但它昀终还是被自由的巨浪冲毁了”。他坚信学习将必然向数字化游戏的方向靠拢,事实也证明了他的想法??在美国,数字化游戏学习虽然一度不被看好,但如今已在学校、企业、政府机构甚至军队中获得了令人惊讶和持续的成功。从学龄儿童娱教到商业虚拟练习,数字化游戏学习已在各个领域相继出现:1Crawford,C.Theartofcomputergamedesign.[J]////0>.2MarcPrensky,TheDigitalGame-BasedLearning[M]McGraw-HillEducation.2001.p21-1-学前儿童通过电脑游戏学习字母表和阅读;小学生在游戏站(Playstations)学习小学课程,成绩提高了30%-40%;在电脑上下象棋成为中学课程的一部分;打字游戏软件跻身游戏软件销售榜首;高中生通过在线游戏学习选举政治学;商人通过电脑游戏提高经营技能;政策制定者通过玩虚拟城市游戏来理解怎样的城市系统才更加健康;工程师通过面向用户的视频游戏学习新的CAD(计算机辅助设计)技术;1新兵在虚拟视频游戏中进行模拟实战演练;以上事实说明,数字游戏已开始进入各类教育领域,无论是孩童还是成年人都能利用数字游戏进行有趣而有效的学习。数字化游戏学习能为学习者和教育者带来前所未有的教育体验,也能提供更多的教育机会,不失为解决教育与数字游戏融合问题的一种新方式,非常值得我们研究和借鉴。可惜的是,我国在数字化游戏学习方面的研究寥寥可数,还没有针对这一领域的专门系统的探究,可参考的文献资料也非常有限。国外数字化游戏学习的蓬勃发展和我国在这方面研究的滞后,使我看到了研究这一问题的必要性和紧迫性。因此,我想以这一问题作为我的毕业论文研究的方向,希望通过对数字化游戏学习进行系统全面的总结与分析,得出其在理论与实践两方面的发展脉络和特点,从而对我国教育与数字游戏的融合研究提供有益的借鉴。第二节研究现状一、国外研究现状国外对于数字化游戏学习的研究开始较早,很早就已经把数字游戏应用于教学和培训,并且取得了良好的学习效果。目前国外的数字化游戏学习已经成为各种层次教育和培训中的一种必要手段,不但在学校中应用,而且大量的企业职工培训也应用了数字化游戏学习的方式。国外很多的公司和机构都在致力于数字化游戏学习的研究和开发,成果颇丰。在游戏产品方面,近年来具有代表性的游戏主要有法国游戏商Cryo公司和法国Canal+环广播公司多媒体分部联合制作的《凡尔赛:宫廷疑云》Versailles1685:AGameofIntrigue和《埃及:法老王之墓》Egypt1156BC:TombofthePharaoh;由英国的ImmersiveEducationLtd.和剑桥大学联合推出的角色扮演游戏Kar2ouche在英国中小学中广泛应用;美国的GAME2TRAIN公司开发的TheBattleoftheBrains、TheMonkeyWrenchConspiracy、1.MarcPrensky,TheDigitalGame-BasedLearning[M]McGraw-HillEducation.2001.p56-2-KnowledgeTournament等;麻省理工学院和微软公司2002年提出的“Gamesto-teach”项目,共建立了10种游戏模型。在该项目的研究中,他们提出了“现代教学法+艺术化游戏环境下一代教育媒体”的理念;加拿大的InlightEntertainment公司专门为儿童教育设计开发游戏,他们的游戏计划InlightEntertainment??“用娱乐开启智慧”包括多个寓教于乐的游戏,如“WenniethePooh”、“MickeyEarlyLearning”、“怪物公司”、“SpyKids3D”等等;韩国KidnKid近期开发完成英语教育在线游戏“BUBBLESHOOTER”,兼具教育与娱乐的用1途。在理论方面,国外的相关研究起步也比较早。很多学者都相继对数字游戏和数字化游戏学习进行了比较深入的研究,并发表了大量的论文和著作。如马克?普兰斯基在2001年发表的《数字化游戏学习》(DigitalGame-BasedLearning),詹姆斯?波罗?吉(JamesPaulGee)于2003年发表的《关于学习和文化,视频游戏能教给我们什么?》(WhatVideoGamesHavetoTeachUsaboutLearningandLiteracy),克拉克?阿德里(ClarkAldrich)在2004年发表的《虚拟化与未来学习:数字化学习的新(革命性的)手段》(SimulationsandtheFutureofLearning:AnInnovativeandPerhapsRevolutionaryApproachtoe-Learning),史蒂文?詹森(StevenJohnson)于2005年发表的《今日的流行文化如何让我们更聪明》(HowToday’sPopularCultureIsActuallyMakingUsSmarter),以及普兰斯基的新书《妈妈,别打扰我!我在学习:电脑和视频游戏如何帮助你的孩子在21世纪获得成功,你又能做什么?》(“Don’tBotherMe,Mom,I’mLearning!”:HowComputerandVideoGamesArePreparingYourKidsfor21stCenturySuccessandHowYouCanHelp!)等。这些研究从不同的理论角度比较阐述了数字化游戏学习的理念和特点。二、国内研究现状国内对于数字化游戏学习的研究开始较晚,从事数字化游戏学习研究的组织也不多,不过目前对于游戏化学习的研究已开始逐步得到重视。从整体看这方面的理论和实践研究仍处于探索阶段。在实践方面国内早就有了一些先行者。比如台湾的《大唐诗录》为游戏者提供了“读万卷唐诗,行万里险路”的游戏历程,游戏中全部真人配音,朗诵到位,画面具有中国特色,操作简便,寓教于乐,非常适合各个年龄层次的玩家。科利华公司在2000年推出的《学生智慧世界》是全球第一个学习型教育网站,通过同伴在一起竞争答题达到学习之目的。北京威孚公司从国外引进的数字化游戏学习1田爱奎,杨瑛霞,夏天,张际平.数字化游戏学习的发展及展望[J].电化教育研究.2006年第一期-3-制作软件“游戏工厂”,是国内第一个数字化学习游戏制作平台。随着网络的发展和普及,出现了一些专门的教育游戏网站。这些网站提供Flash技术制作的小型教学游戏,如童趣网、娃娃呀呀、游戏学堂、奥卓尔的游戏化学习世界等,为我国数字化游戏学习提供了大量的资源。但是从游戏开发的类型来看,国内游戏的种类比较单一,形势比较简单,主要有用于课堂知识点教学的Flash游戏、用于课程学习的网络游戏、角色扮演型的教育游戏,缺乏大制作、多情节、多任务的大型游戏。我国有关数字化游戏学习的理论研究目前还处在萌芽阶段。虽然有一些学者将教育游戏作为娱教Edutainment的一个研究领域进行了一些初期的研究,但是从整体上来看,有关数字游戏的理论和实践还没有自成体系,无法找到自身的发展之路。因此,我们更有必要及时研究和吸收国外数字化游戏学习领域的昀新研究成果,以期为我国的游戏化学习的发展找出一条新路。第三节研究方法和目的一、研究方法本文主要采用文献研究法和比较分析法作为主要的研究方法。1.文献研究法。本论文参阅了大量的文献资料,主要为国外相关问题的第一手文献资料,包括专著、论文、媒体新闻和互联网资料。通过对大量文献的梳理和分析,得出国外数字化游戏学习理论和实践方面的发展脉络。2.比较分析法。本文也采用了比较分析的方法,通过对我国与国外相似领域的发展现状和特点之间差异的分析,得出对我国数字化游戏学习发展的启示。二、研究目的本文的研究目的主要是通过搜集、整理、翻译和分析国外数字化游戏学习的相关研究,得出国外数字化游戏学习在理论研究和实践应用方面的发展、现状和未来发展的情况,梳理出数字化游戏学习的理论基础,总结出数字化游戏学习在实践应用方面的总体概况和未来发展趋势,并从中得出对我国数字化游戏学习发展的启示。-4-第一章数字化游戏学习研究产生的背景第一节游戏、数字游戏和数字化游戏学习一、游戏在人类社会中的地位游戏是人类社会的一种文化,游戏能够促进人的成长。“只有当人在充分意1义上是人的时候,他才会游戏;只有当人游戏的时候,他才是完整的人”。人类游戏的历史与人类的历史同样久远,甚至还要长于人类的历史。哺乳动物几乎都有游戏活动,说明游戏是高级生命的特有形式,能够促进生物的成长和进化。荷兰现代文学史家胡伊青加甚至认为:“文明是在游戏中并作为游戏而产生和发展2起来的”。因此,游戏构成一种文化秩序,人类社会中存在多种多样的游戏形式。从某种程度上来说,人类社会就是建构在许许多多的游戏形式当中的。因此,游戏也总是承载着某种特定的文化和意识形态的功能,承担着对我们日常生活的重新建构。根据布莱恩?萨顿?史密斯(BrianSuttonSmith)的理论,人类社会中的游戏有七种不同的类型:游戏作为手段:游戏的目的是学习有益的知识;游戏决定命运:赌博和投机主义;游戏成为力量:赢家和输家;游戏决定身份:游戏用于决定身份和权力;游戏激发想象力:即兴创作和想象;游戏作为个体活动:单人游戏;3游戏作为娱乐:体验的内在价值成为游戏的首要关注点。从史密斯的观点来看,游戏可以是消遣,可以是艺术,可以是政治,甚至可以决定命运。游戏存在于人类社会的各种活动中,人类用各种各样的游戏充实生活。游戏是人类命运的一部分,人类离不开游戏。二、数字游戏的兴起和繁荣数字游戏(DigitalGame)是一个概念综合体,并不是指某种专门类型的游戏。它包括了电子游戏、电脑游戏、视频游戏、街机游戏、游戏、网络游戏等各1席勒.《美育书简》[M]中国文联出版公司1984年版.p52引自于田爱奎《支持自主学习的数字化教学游戏研究》华东师范大学博士论文库。3RichardVanEck,BuildingArtificiallyIntelligentLearningGames.[J]////.0Madison/Van%2520Eck-Intelligent%2520Learning%2520Games.pdf+Building+Artificially+Intelligent+Learning+Games&hlzh-CN&ctclnk&cd1&glcn&st_usgALhdy2_o0nsQGe7DuKC3RqkidKlG75UCRg-5-种依托信息技术开发的,在数字化设备上运行的数字化软件系统。在数字游戏发展的不同历史时期,它曾经有着不同的名字。现在国内外研究者通常用数字游戏这个概念来指代所有这些类型的游戏。数字游戏的昀初形式??视频游戏??产生于上个世纪60年代并逐步兴盛,引出了数字游戏半个多世纪以来的蓬勃发展。视频游戏的出现为人们提供了新的娱乐方式。昀早的电脑游戏是1952年由A?S?道格拉斯(//.glas)设计开发的“Tic-Tac-Toe”,当时的显示器还只是阴极射线管显像屏。1958年威廉?海金博塞姆(WilliamHiginbotham)设计了一款游戏,名为“两个人的网球”(TennisForTwo)。该游戏以示波镜为屏幕,以侧面视角模拟网球的比赛。直到1962年,第一个以计算机作为操作平台的游戏“SpaceWar”才终于问世,它的设计者是史蒂夫?拉塞尔(SteveRussell)。可以说这是世界上第一款带有娱乐性质的,真正意义上的视频游