宋志國

（深圳品創(chuàng)興科技有限公司 河南省駐馬店市 463000）

為了實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信中的多點接入技術(shù)，對于每個無線節(jié)點都需要一個多信道的收發(fā)開關(guān)或濾波器等。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)進行調(diào)制的電路，例如編碼器，這些電路通常都集成在一個芯片上。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)雜元器件都有一個共同點：它們都是由多個功能芯片和多個模塊組成的。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發(fā)射電路，該電路把原來的多塊電路板、獨立的金屬屏蔽層、多根輸入/輸出線路等單元整合為一塊僅有半個手指指甲的小片，極大地提高了 Si 基 RF 的輸出功率，同時也使 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

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電路的性能，因此對它的選擇和設(shè)計是十分重要。傳統(tǒng)功率放大器是在晶體管或場效應(yīng)管基礎(chǔ)上加一個帶通濾波器后，再使用晶體管來實現(xiàn)，但是這種方法存在體積大、可靠性差等缺點。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，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中，如移動電話、雷達等。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)是將多個頻率源的頻率相加，從而實現(xiàn)所需頻率的技術(shù)。現(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參考信號，由鑒相器對輸出信號進行鑒相和跟蹤，使其相位符合輸入的參考信號。該結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有較好的跟蹤性能，但其動態(tài)范圍較小；鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)主要用于高速低功耗系統(tǒng)中，例如一些雷達和導(dǎo)航系統(tǒng)；VCO 技術(shù)能夠提供一個線性參考時鐘，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 是將多個頻率源的頻率相加，然后再合成一個頻率源。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)機械拋光和熱化學(xué)機械拋光）、微影（原子層光刻、離子束注入和剝離）四個基本工序。芯片的封裝工藝主要包括光刻、微影和機械拋光四個基本工序，其中光刻和蝕刻是芯片封裝中最重要的兩個技術(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，最后采用機械方式進行拋光。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。其原理是將一個部件的部分元件（如電路、分立元件）與另一個部件（如電路板）連接起來，再用膠粘于另一個部件之上。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)點是可以節(jié)約組裝時間，降低生產(chǎn)成本，擴大了安裝空間。這種方式的缺點是由于基板材料不一致和貼片位置不確定等因素會導(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：首先是金屬引線與基板的連接可能會產(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封裝內(nèi)的封裝技術(shù)。它能夠同時實現(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封裝內(nèi)，形成一個集成的模塊系統(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。模塊的功能一般包括：邏輯功能、信號處理功能、功率放大和開關(guān)控制等。它們大多是采用集成化的設(shè)計思想來設(shè)計的。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)計及工藝制造過程。在模塊化設(shè)計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。這些方法的特點是利用三維空間進行封裝，對微波信號的傳輸路徑進行重新規(guī)劃，同時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。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

4.1 多通道濾波器設(shè)計

多通道濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)在多個信道中同時進行工作，并且具有較好的隔離效果，從而進一步提高了數(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)計時間，通常采用巴倫濾波器進行設(shè)計。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)實現(xiàn)，利用電容與電感進行串聯(lián)來實現(xiàn)整個電路的集成。由于其諧振頻率較高，因此在整個電路中會產(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部分組成：一個是諧振器部分，另一個是傳輸線部分。在傳統(tǒng)的巴倫濾波器中通常會使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)整個電路的集成設(shè)計，而集成巴倫濾波器通常會使用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。為了達到更好的性能指標，通?？梢栽陔姼泻碗娙葜g增加一個過渡電路來實現(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行設(shè)計時可以將其與開關(guān)進行集成使用。通過在多通道濾波器中引入開關(guān)，能夠使整個電路得到進一步優(yōu)化和設(shè)計，從而大幅度降低設(shè)計成本。

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)電阻實現(xiàn)其功能。因此，對開關(guān)電路的性能指標也有著一定的要求。在實際應(yīng)用中，如果選擇了一些性能較差的開關(guān)電路，可能會影響到整個系統(tǒng)的性能指標。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，此時的射頻信號帶寬相對較大。如果將這些開關(guān)電路與一個低通濾波器進行組合設(shè)計時，則可以降低整個系統(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芯片中進行設(shè)計，因此在這種情況下可以通過使用混合集成技術(shù)對它們進行設(shè)計。對于混合集成技術(shù)來說，其需要將射頻開關(guān)和濾波器分別進行設(shè)計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濾波器進行同時應(yīng)用。通過將這些濾波器與射頻開關(guān)進行結(jié)合來達到降低整體系統(tǒng)性能指標的目的。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)計方法通常是使用一個傳輸線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)天線的設(shè)計。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)中的每個單元都有一個電阻，根據(jù)它們的阻抗可以形成不同的天線。通過對這些天線進行優(yōu)化組合，就可以實現(xiàn)發(fā)射/接收端信號的最佳調(diào)制，從而最大限度地利用了射頻功率傳輸。在現(xiàn)代移動通信中，天線被廣泛用于發(fā)射機和接收機之間的匹配和調(diào)制。使用兩個不同頻率的載波信號進行發(fā)射/接收時，會出現(xiàn)所謂的“相移”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致發(fā)射機輸出功率與接收機接收到的信號功率不匹配。要解決這種現(xiàn)象，一般需要對不同頻率下的載波信號進行調(diào)制。例如，可以使用薄膜表面安裝器件來實現(xiàn)各種形狀和厚度的天線設(shè)計，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)制是將輸入信號轉(zhuǎn)換為基帶信號的過程，或者說是一種將輸入信號轉(zhuǎn)換成基帶信號的轉(zhuǎn)換技術(shù)。當調(diào)制過程中的噪聲對所傳輸信號造成影響時，會導(dǎo)致失真。通常情況下，噪聲對所傳輸信號的影響可以通過加載一個低通濾波器來消除。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。此外，毫米波調(diào)制器具有更強的抗電磁干擾能力，因為它工作在寬帶模式下而不像基帶調(diào)制器會受到嚴重的電磁干擾影響。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，這使得所設(shè)計的調(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)計方式，而在未來可能會出現(xiàn)集成了多個通道的毫米波調(diào)制器。此外還可以考慮采用高密度封裝方式來提高整個系統(tǒng)可靠性是一個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載情況下穩(wěn)定工作，可以使用多個電感電容加載電路。多個電感電容加載電路可以利用一個共同的工作電壓實現(xiàn)不同負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現(xiàn)穩(wěn)定輸出。帶通濾波器具有可以使負載阻抗在一定范圍內(nèi)變化的特點。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 個領(lǐng)域：無線通信、雷達、軍用系統(tǒng)、遙感。隨著高性能計算技術(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遇。在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，隨著5G 時代的到來，5G 無線通信技術(shù)的發(fā)展會對射頻集成電路需求巨大。在未來較長一段時間內(nèi)，射頻集成電路都會處于較快發(fā)展的狀態(tài)。目前在高性能計算和通信技術(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”方式來實現(xiàn)。但是，高吞吐量和低成本是兩個矛盾的需求，尤其在通信和雷達領(lǐng)域中。這就要求射頻集成電路設(shè)計與傳統(tǒng)信號處理架構(gòu)和算法進行重新設(shè)計，以滿足高性能計算需求。