射頻集成電路中片上電感的研究以及威爾金森功率分配器的研究.ashx

1、同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士學(xué)位論文射頻集成電路中片上電感的研究以及威爾金森功率分配器的研究姓名：徐敏申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：賈建華20080201摘要摘要近年來無線通信的迅猛發(fā)展，對設(shè)備的集成度和性能要求越來越高硅基片上集成電感滿足了低損耗，高集成的要求。功率分配器，這樣一種無源器件，尺寸和性能直接影響著整個系統(tǒng)的工作質(zhì)量。（威爾金森）功率分配器早在世紀(jì)年代就被提出，本文從理論和實驗兩方面結(jié)合現(xiàn)代硅基工藝，以及正方形平面螺旋電感設(shè)計的基礎(chǔ)上，找到性能的成因和改進的突破口，提出和討論了如何改進功率分配器性能的具體方法。本文首先介紹了功率分配器的技術(shù)背景和研究近況，以及

2、幾種基本結(jié)構(gòu)，并提出采用集總參數(shù)實現(xiàn)功率分配器，以符合小型化的要求，并對其進行仿真分析。片上平面螺旋電感是影響此種小型化功率分配器性功能的關(guān)鍵的因素，因此成為研究的熱點。接下來對平面螺旋電感進行了數(shù)學(xué)和結(jié)構(gòu)分析，得到各種參數(shù)和性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一分四功率功率分配器。為進一步提高功率分配器的性能，需降低電感的襯底損耗，因此提出增加隔離層的方法來提高電感的品質(zhì)因素。將此方法應(yīng)用在功率分配器上，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)性能得到了一定的改善。最后，本文介紹了實現(xiàn)的有源電感，采用有源電感實現(xiàn)的功率分配器設(shè)計尺寸進一步縮少，品質(zhì)因素也有了一定的提高。關(guān)鍵詞：射頻集成電路，片上電感，平面螺旋電感，功率分

3、配器，缸嬲弱，：，學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解同濟大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃攢、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供匿錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。學(xué)位論文作者簽名：輾奶山占年月夕日同濟大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注

4、明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)奪簽名：熟鐋渺孵劉。日第章引言第章引言概述移動通訊和無線通訊的迅猛發(fā)展，以及市場對低成本、高集成度、體積小的射頻收發(fā)器的巨大的需求，促使射頻收發(fā)前端單片和混合集成電路器件的研制取得長足發(fā)展。以往的接收機大都采用砷化鎵或雙極性硅工藝實現(xiàn)的功率放大器，收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器等射頻電路與工藝實現(xiàn)的中頻和基帶電路進行混合模擬，并且射頻電路主要由分立元件或低集成度的射頻芯片構(gòu)成。隨著工藝技術(shù)的

5、發(fā)展，傳統(tǒng)高頻性能得到很大改善，其單位增益截止頻率接近砷化鎵。由于其工藝的成熟性、成本低、功耗小，射頻集成電路的研究和生產(chǎn)，正在世界范圍內(nèi)廣泛開展。射頻集成電路需要高質(zhì)量的無源元件，片上電感、片上變壓器，在普通模擬集成電路中所不需要的元件在射頻集成電路中有時是不可或缺的。利用運算放大器等有源器件所構(gòu)成的等效電感由于其功耗大、面積大、噪聲大、高頻性能差而不能滿足目前的要求。利用現(xiàn)有的工藝條件，人們在這方面己經(jīng)進行了有益的探索。功率分配器作為一種非常重要而且常用的無源器件，其性能尺寸直接影響到整個系統(tǒng)的性能和集成度。因此，在先進的射頻微波集成電路工藝基礎(chǔ)上，對其進行研究，是十分必要的。射頻微波集成

6、電路射頻微波集成電路（，縮寫為），能把傳輸線，分立電阻、電容、電感以及有源器件等結(jié)合在一都可以集成在幾平方毫米的芯片上。微波集成電路起，甚至全部的接收機系統(tǒng)乜。例如通信接收機前端和雷達發(fā)送及接收模塊等，第章引言可以分為兩類：一類稱為混合微波集成電路（）以微帶線為例，它以微帶線上的金屬導(dǎo)電層作為導(dǎo)體和傳輸線，將分立元件電阻、電容、二極管、晶體管焊接在基片上，這種最初發(fā)展于世紀(jì)年代。另一類為單片微波集成電路（）是第三代微波電路。通過多層工藝將所有有源、無源電路元件及其連接線集成在半絕緣的半導(dǎo)體基片內(nèi)部或表面上所獲得的微波電路。年國外一般刪比的帶寬要寬一些，還具有尺寸小、重量輕、功耗低、設(shè)計靈活、易

7、于改善性、工作的極限頻率更高等優(yōu)點。圜前對于潮王的總體要求并非集成度越高越好，而是要全面衡量成品率、價格、體積與電性能。有時可采用幾個單片組合成整機的方式，稱為混合單片集成電路，例如衛(wèi)星廣播電視接收機可由低噪聲放大、混頻巾放、本振三個單片組裝褥成，成品率可以大幅度提高，節(jié)約成本，具有工程實用性。微波系統(tǒng)中的刪器件包括：腳功放，低噪聲放大器（），混頻器，壓控振蕩器（），濾波器等。刪的發(fā)展為微波系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。硅基集成電路無線收發(fā)系統(tǒng)射頻前端的微波集成電路制造，一般采用或藝，但隨著深壓微米乃至納米工藝技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)赫器件的高頻性能越來越好，其單位增益截止頻率已經(jīng)接近的水平，

8、在性能的各方面已初步具有了與一爭高下的能力。雖然，樹底的半導(dǎo)電特性與襯底的半絕緣性相比，會引起更大的襯底損耗，從而導(dǎo)致電路品質(zhì)因素酶下降。但是與藝制造的相比，由硅材料制造的不僅成本低，而且可以與后端基帶數(shù)字信號處理器集成到同一硅片上，成為的巨大潛力。在頻率以下，射頻集成電路的研究重點逐漸扶化合物半導(dǎo)體集成電路轉(zhuǎn)向硅射頻集成電路，在射頻領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用，顯示出發(fā)展為系統(tǒng)級芯片的優(yōu)勢昭。的基片材料一般多采用材料，具有低損耗，高介電常數(shù)，并且與會屬有良好的附著力。年代，個人移動電話的迅速發(fā)展對半導(dǎo)體器件提出了更苛刻的要求，即低造價、低電壓、低相位噪聲、高效率。需要入們尋找更理想的半導(dǎo)體材料以適

9、應(yīng)、的研究制造。例如，首先提出了，這種器件表現(xiàn)處了極好的性能，由于這是以硅為基片，所以器件工藝比較第章引言成熟，且造價低，易與現(xiàn)存的硅集成電路接口，其（放大器功率附加效率）可達。硅基最突出的特點就是具有極低的相位噪聲。電感的市場需求與技術(shù)背景上世紀(jì)年代以來，個人移動通信，數(shù)字電視、廣播及全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)得到了迅猛地發(fā)展。這些產(chǎn)品的使用壽命，耗電量和重量體積是它們獲得成功的關(guān)鍵因素。集成射頻模塊和基帶數(shù)字信號處理單元在一個單硅片上可以滿足上述要求。無源元件特別是電感，在射頻前端系統(tǒng)中具有重要作用，其設(shè)計性能和制造工藝是人們關(guān)注的焦點，也是使電子產(chǎn)品更加便攜的有效途徑之一當(dāng)前的收發(fā)器設(shè)計通常采用雙

10、極工藝和藝制造低噪聲放大器、混頻器和壓控振蕩器；采用砷化鋅（）或雙極工藝制造功率放大器；采用工藝制造基帶信號處理芯片等。目前，在印刷電路板（）上仍大量地使用薄膜技術(shù)或分立形式的無源元件。為了增加集成度，不同的電路模塊和元件采用同一種工藝，制作在相同的襯底上。隨著工藝的進步，藝晶體管的截止頻率子）變得越來越高。與藝相比，工藝在價格、功耗方面都占有顯著的優(yōu)勢，可以同時在藝中集成模擬和數(shù)字電路，因此可以實現(xiàn)更高的集成度，這使集成電路在較低頻率范圍的應(yīng)用日益廣泛。業(yè)界的目標(biāo)是使得所有的收發(fā)器部分，無論是數(shù)字、模擬還是射頻都采用標(biāo)準(zhǔn)藝實現(xiàn)。單芯片收發(fā)器是研究的目標(biāo)和重點，在學(xué)術(shù)上和經(jīng)濟上都具有較高的價值

11、。在收發(fā)器前端部分，在上的主要成分是無源元件。雖然在整個電路中電感、電阻、電容占一個很小的比例，但是整體的無源元件價值超過了電路總價值的三分之一。最重要的是，隨著中間級匹配網(wǎng)絡(luò)的集成，單獨的電路模塊更加容易在藝上制造，進而大幅度下降的封裝和試驗費用。各元件的分立封裝會引起較大的寄生電感和電容，當(dāng)信號在上的元件間傳輸時，附加的能量不得不消耗在驅(qū)動這些附加的寄生電感和電容上，而單片集成就可以避免這些能量的消耗。單片集成減少了芯片與外部元件的焊接，進而提高了系統(tǒng)的可靠性。比如說，大部分無線通信的電路工作頻率在一之間，電路使用的典型電感值為，用分立元件很難實現(xiàn)小值電感。表面貼片電感元件值的誤差一般在，

12、由于封裝的寄生效應(yīng)，使得在以下的元件值誤差變得更大。第章引言但是使用藝來嚴(yán)格控制特性，片上電感能達到較高的精度，生產(chǎn)的重復(fù)性節(jié)約了人力物力。同時，無源元件的集成使得阻抗匹配的設(shè)計更加靈活，以適應(yīng)不同場合的需要。此外，分立的無源元件占據(jù)了大部分板的面積，微型的便攜式系統(tǒng)需要較小的固定電路面積。由于需要很大的面積用于焊接附件和通孔，即使采用先進的封裝技術(shù)，所節(jié)省的面積也是很有限的，所以將各個分立的無源元件集成在芯片上，可以有效降低面積。綜上所述，芯片的單片集成具有低成本、低功耗、小面積、可靠性高、和設(shè)計靈活等優(yōu)點。因此，集成電感成為射頻集成電路設(shè)計的一個熱點課題。電感在射頻集成電路中的作用電感是磁

13、能存儲元件，與電能存儲元件配合使用可以實現(xiàn)很多功能。電感的低通高阻特性，在降低電源電壓、濾波等電路中，有著重要的作用。例如，手持無線通信設(shè)備需要滿足低成本、低電壓、低功耗、低噪聲、低失真等特性，沒有電感，這些要求在許多情況下是無法滿足的，所以電感是射頻集成電路中不可或缺的元件。移動通訊設(shè)備工作的典型頻率范圍一，射頻系統(tǒng)為了能在各模塊電路之間有最大的能量傳遞，它們之間必須有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)兩部分電路的阻抗為復(fù)共軛時，能量傳輸達到最大。電感作為無源匹配網(wǎng)絡(luò)的一部分，例如在設(shè)計低噪聲放大器、混頻器和放大器等電路模塊時，匹配網(wǎng)絡(luò)使電路具有較小的噪聲、最大的增益、最小的反射系數(shù)和較高的優(yōu)化效率。一電感除

14、了應(yīng)用在匹配網(wǎng)絡(luò)中，對于頻率以上的壓控振蕩器，采用環(huán)振電路很難得到較低的相位噪聲和較高的品質(zhì)因數(shù)。壓控振蕩器的相位噪聲主要取決于調(diào)諧回路的品質(zhì)因數(shù)。就一般情況而言，使用電感的電路都是窄帶電路，實際上，片上電感可以用于拓展頻帶。鏡像濾波器是超外差接收器單片集成工藝的瓶頸，高質(zhì)量的電感便可以有效解決這個問題，而收發(fā)器的切換開關(guān)也可以采用片上電感來解決。集成電感集成電感分為有源電感、金屬互連線電感、鍵合線電感以及半有源電感。第章引言其中金屬互連線電感是集成電感研究和使用的主要對象。有源電感在低頻段可以通過使用有源器件模擬電感特征，而避免使用真實電感，并可以實現(xiàn)比較大的電感值和值。與無源電感相比，有源

15、電感具有電感值可調(diào)、芯片面積小的特點。但是有源電感無論其電路結(jié)構(gòu)如何，都具有以下缺點：（）在高頻上有源器件的增益下降，使得模擬電感實現(xiàn)起來比較困難。（）有源電感需要占用電壓，降低其他電路的電壓使用范圍，故其電路的動態(tài)范圍有限。（）有源電感給電路帶來附加噪聲。這些缺點致使有源電感不是所有場合都能使用，例如不能應(yīng)用在高靈敏度的模擬電路模塊中，因此要根據(jù)實際需求來選擇電感的種類。在芯片的兩個焊點之間、焊點與封裝之間以及封裝與封裝之間焊接的金屬線稱為鍵合線電感。焊線適用于任何一種工藝，可以認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)集成電路元件。但是焊線在制作過程會產(chǎn)生垂直和水平方向的長度偏差以及金屬線直徑偏差，導(dǎo)致電感量的變化，所以

16、焊線電感生產(chǎn)的可重復(fù)性差，產(chǎn)品精度低。鍵合線電感的品質(zhì)因素雖然可達，但是其電感值變化范圍有限，一般在。焊盤等引起的寄生電容引起電感值的波動，可預(yù)測性和重復(fù)性差，限制了應(yīng)用。但是鍵合線電感具有較高的品質(zhì)因數(shù)，所以也有一定的研究價值。，由金屬互連線構(gòu)成的螺旋電感與藝兼容，穩(wěn)定性好，并且可以實現(xiàn)較大的電感值范圍，從幾百幾百，電路的設(shè)計更加靈活。此種電感不需要通過焊盤與外界連接，可降低成本，提高成品率，因此被廣泛采用，是集成電感的主要形式，常被稱為片上電感。半有源電感是一個值得研究的方向。例如，采用有源電路抵消無源電感電阻的方法，使電感具有更高的品質(zhì)因數(shù)；實現(xiàn)片上的濾波器，可以替代片外的聲表面波濾波器

17、，使得濾波器的頻率不再拘泥于聲表面波濾波器的材料特性，設(shè)計更加靈活啼。片上電感研究的現(xiàn)狀由于射頻和微波通信市場的巨大潛力，國際上很多大學(xué)在十幾年前就開始研究片上電感，獲得了不少研究成果。例如，采用襯底地屏蔽來降低半導(dǎo)體襯第章引言底電場損耗；在電磁場分析的基礎(chǔ)上得到了著名的電感分析設(shè)計軟口。早在年就有人研究過在硅片上做平面電感，當(dāng)時得出的結(jié)論是在硅集成電路中集成電感是不實際的呻。直至年，有研究者首次發(fā)現(xiàn)電感能夠在硅工藝集成電路制作。近年來，隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們越來越希望在射頻集成電路中集成電感，以滿足低功耗、高集成度的要求，使得硅基集成電感成為微電子領(lǐng)域一個新的研究熱點。與半絕緣襯底

18、不同，硅襯底是半導(dǎo)體，襯底的損耗比較大，很難獲得高的品質(zhì)因數(shù)。最近，很多研究人員開始研究采用非標(biāo)準(zhǔn)工藝的方法來提高電感性能，比如使用高電阻率的硅襯底、將線圈下面的硅腐蝕掉等方法。硅基螺旋電感是實現(xiàn)片上電感的主要方式，它利用集成電路中的金屬互連線圍繞成螺旋狀而使其具有電感的特性。在標(biāo)準(zhǔn)藝中，由于組成螺旋電感的金屬連線電阻較高，高頻硅基襯底的損耗較大，使得電感的品質(zhì)因數(shù)普遍不高。螺旋電感處于復(fù)雜的電磁場環(huán)境下，其模型的建立和仿真也非常困難。多年來有眾多學(xué)者致力于硅基集成螺旋電感的研究，主要集中在以下兩個方面：（）建立硅基螺旋電感的模型。目前，電感的模型從經(jīng)典的窄帶模型們發(fā)展為可按比例縮小的寬帶模型

19、。建模的主要目標(biāo)是為了快速精確地對硅基螺旋電感進行仿真。（）硅基集成螺旋電感的設(shè)計和優(yōu)化。主要目標(biāo)是使電感的品質(zhì)因數(shù)在一定的工作頻率上最大化刳。電感的寄生電容影響了電感的使用范圍和品質(zhì)因數(shù)，因此也是分析研究的重點內(nèi)容引。通常，電感采用并聯(lián)的金屬互連線頂部兩層金屬設(shè)計而成，具有固定的間距、線寬和內(nèi)半徑，通過不同圈數(shù)實現(xiàn)不同電感值。線圈的形狀通常為圓形和方形。工廠一般只提供單端電感，不提供差分電感，而且多數(shù)沒有地屏蔽，沒有接地環(huán)。相對單一的電感種類，使得電路設(shè)計人員不能根據(jù)電路的具體需要來調(diào)整電感，比如增大金屬線寬，并聯(lián)金屬層數(shù)等。因此電路設(shè)計靈活性的差，不能根據(jù)電路的實際需要增加或減少電感的寄生

20、參量，也不能任意調(diào)整電感值。片上電感研究存在的問題片上電感的品質(zhì)因數(shù)較低且占據(jù)較大的芯片面積，是兩個主要的研究問題。（）品質(zhì)因數(shù)低。電感品質(zhì)因數(shù)最通用的定義，即電感貯存的峰值磁能和第章引言峰值電能之差與其一個周期內(nèi)的損耗之比。平面螺旋電感不同線圈之間的耦合系數(shù)比較低，串連電阻值較大，寄生電容和襯底的損耗也較大，使得片上電感的品質(zhì)因數(shù)不高。尤其是標(biāo)準(zhǔn)藝的襯底是半導(dǎo)體，在襯底上的電能和磁能損耗更大，使得標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計片上電感成為難點和熱點。（）電感占據(jù)的芯片面積較大。隨著工藝技術(shù)的進步，芯片的特征尺寸也在不斷的縮小，單位面積晶體管的數(shù)量迅速增加，成本不斷地降低，而電路所需的電感值沒有下降，這意味著電

21、感的有效面積不會隨著特征尺寸的降低而降低。電感占據(jù)的面積與晶體管占據(jù)的面積比在不斷地加大。圖是一個線性功率放大器的版圖，絕大多數(shù)面積是電感。在保證電感性能的前提下，降低電感占用的芯片面積是一個非常重要的課題。幽平衡式功率殿人器版圖（）串?dāng)_片上電感可以采用保護環(huán)和地屏蔽等方法進行電場屏蔽，使得電感附近的電路受電感電場的影響很微小。使用標(biāo)準(zhǔn)藝，沒有方法屏蔽電感磁場而又要保持其性能，不可避免的要拉大電感與其他電路的間距，降低電感磁場的耦合作用，這樣就增大了電感的實際芯片占有面積。由上述分析可知，片上電感的研究需要電磁場、高頻電路、工藝制造、高第章引言等數(shù)學(xué)等背景知識。往往研究電感的人具有物理背景，而

22、缺少電路知識，將電感作為一個元器件研究。具備電路知識的人往往又不具備物理背景，很難對電感進行優(yōu)化設(shè)計。電感的設(shè)計要根據(jù)電路的實際需要來調(diào)整電感的電感值、寄生電阻和寄生電容，達到電路的最佳性能。功率分配器（威爾金森）功率分配器，簡稱功分器，是一個三端口網(wǎng)絡(luò)，輸出路等幅信號，是射頻微波系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的無源器件。比如，應(yīng)用于高功率放大器、平衡放大器、陣列天線反饋網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中引。隨著無線通信的發(fā)展，傳統(tǒng)的利用傳輸線實現(xiàn)的功率分配器，在尺寸和性能上都無法勝任。工藝的進一步發(fā)展，減小功率分配器的尺寸是非常迫切的需要。例如，三維技術(shù)，集總參數(shù)技術(shù)，以及負(fù)載電容方法等。其中集總參數(shù)技術(shù)是研究最廣最深入的技術(shù)，

23、而且制造集總元件的硅基微電子技術(shù)，以其低損耗，低成本，高效率的優(yōu)勢，成為當(dāng)代國際微電子領(lǐng)域的一個研究熱點。利用集總參數(shù)元件，硅基微電子集成電路工藝，使得功率分配器的尺寸大大降低，適應(yīng)了目前無線通信設(shè)備片上集成、小型化的要求。于此同時，對片上集總無源器件的優(yōu)化設(shè)計和工藝改進，可以進一步提高功分器的性能。其中，平面螺旋電感扮演著一個重要的角色，是直接影響性能的關(guān)鍵器件。其工作性能往往隨著工作頻率的上升而出現(xiàn)的襯底損耗而下降，因此，有效的分析并獲得模型和網(wǎng)絡(luò)參量，并掌握電感性能隨著工作頻率改變的特性，優(yōu)化硅基集成平面螺旋電感的性能，最終以之改善功率分配的性能。然而，在研究硅基平面螺旋電感的同時，發(fā)現(xiàn)

24、片上電感存在占用面積達，不利于系統(tǒng)集成，寄生元件多，值低等特點，導(dǎo)致功率分配器較高插入損耗和有限的帶寬。因此，優(yōu)化片上電感，使其有著更高的品質(zhì)因素來提升整個無源器件的性能，是一種可行有效的解決辦法。采用工藝實現(xiàn)的硅基單片集成電感，使得在減小尺寸的同時，得到更低的損耗，更優(yōu)的性能。選題背景第章引言近年來無線通信的迅猛發(fā)展，對設(shè)備的集成度和性能要求越來越高，尤其是射頻前端的微波集成電路設(shè)計和工藝，有著很大的市場需求量和技術(shù)高標(biāo)準(zhǔn)。更加深入的研究和更廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用，特別是硅基：藝的發(fā)展，突破了片上系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，硅基片上集成電感滿足了低損耗，高集成的要求，逐漸成為研究的熱點。功率分配器，作為一種應(yīng)用

25、廣泛的無源器件，其尺寸和性能直接影響著整個系統(tǒng)的工作質(zhì)量。功率分配器早在世紀(jì)年代就被提出，是研究較早，最常見的功分器。在基本結(jié)構(gòu)框架上，如何應(yīng)用現(xiàn)代的射頻、微波集成電路技術(shù)，硅基藝，使其有著新的突破是研究的重點和難點。硅基與半絕緣襯底不同，硅襯底是導(dǎo)電的，在此上做電感，襯底損耗難以獲得高的品質(zhì)因素。近年來，隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們希望在中集成電感，以滿足低損耗，高集成的要求，使得硅基電感成為國際微電子領(lǐng)域的一個研究熱點。、本論文就是在無線通信技術(shù)對射頻集成電路需求的大背景下，詳細(xì)介紹和研究了平面螺旋電感，以及有著多種應(yīng)用的器件一功率分配器。通過對最常用的功率分配的研究，如何結(jié)合現(xiàn)代硅基

26、集成電感設(shè)計和制造技術(shù)，找到性能的成因和改進的突破口，是本論文研究和討論的重點。為將來進一步開發(fā)射頻集成電路和無線通信系統(tǒng)打下知識基礎(chǔ)，和必要的技術(shù)的貯備。通過采用進行電路級仿真，版圖級仿真，在對功率分配器結(jié)構(gòu)，硅基正方形平面螺旋電感的研究和分析基礎(chǔ)上，提出和討論了如何改進功率分配器性能的具體方法。介紹了采用有源電路實現(xiàn)功率分配電路的方法，并對其進行了一定的研究和討論。論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本論文集中研究采用先進的射頻集成電路，研究和分析了片上電感，以及如何設(shè)計高性能小型化的功率分配器，是無源器件領(lǐng)域的一個熱點。論文的結(jié)構(gòu)和各章內(nèi)容如下：第二章介紹了耦合器常見的幾種類型。在對采用傳統(tǒng)傳輸線實現(xiàn)功

27、率分配器的結(jié)構(gòu)進行介紹之后，針對其小型化的要求，重點介紹和分析了集總參數(shù)元件等效傳輸線的結(jié)構(gòu)。又對含有移相器的功率分配器進行了討論。通第章引言過進行電路級仿真，使結(jié)論更加壹觀清晰。第三章介紹了硅基平面螺旋電感的基本類型、結(jié)構(gòu)、以及物理特性。對寄生和損耗的原因和其對電感性能的影響進行了詳細(xì)的說明。重點分析了一層介質(zhì)上的正方形螺旋電感的模型，并褥出了定量計算的公式。第四章首先提出進一步提高電感值，改善功率分配器性能的方法。通過大量仿真，得到電感設(shè)計中各種參數(shù)設(shè)計的規(guī)律，并總結(jié)出提高電感性能的方法。最后仿真并分析了采用隔離層減小沉底損耗以提高性能的方法。通過仿真，找出電感值和隔離層厚度的規(guī)律。第五章

28、主要是根據(jù)前述章節(jié)所闡述的，集總參數(shù)元件實現(xiàn)的功率分配器進行電路級翻版圖級的仿真，得到片上電感不同的參數(shù)對電感性能的影響規(guī)律，以及分別采溺理想元譬、片上電感實現(xiàn)昀功率分配的性能眈較和討論。通過，對增加隔離層的片上電感實現(xiàn)的功率分配器的仿真，得到更加優(yōu)化的性能。第六章先介紹了幾種有源電感的結(jié)構(gòu)和基本工作原理，接著采焉有源電感設(shè)計了一分二的功率分配器，并通過仿真，得到比較直觀的性能特點。最后比較了有源電感、無源電感實現(xiàn)的功率分配器的仿真性能，分析結(jié)果，得出結(jié)論。第章功率分配器第章功率分配器功率分配器（簡稱功分器）和耦合器都是重要的無源微波器件，可用來對功率進行分配或合成?？梢允怯泻幕驘o耗三端口、四

29、端口器件。三端口網(wǎng)絡(luò)通常采用型結(jié)形式，而四端口網(wǎng)絡(luò)采用定向耦合器和混合網(wǎng)絡(luò)形式。功分器可以是等分（）形式，也可有不相等的分配。耦合器可以設(shè)計為任意功率分配比，而混合結(jié)一般是等功率分配，且輸出端口之間有（正交）或（魔）相移。功率分配器和耦合器在世紀(jì)年代，美國麻省理工大學(xué)輻射實驗室發(fā)明和塑造了種類繁多的波導(dǎo)型耦合器和功率分配器。它們包括和平面波導(dǎo)型結(jié)、波導(dǎo)魔等。年代年代，又發(fā)明了采用帶狀線或微帶線技術(shù)的耦合器。平面型傳輸線應(yīng)用的增加，也導(dǎo)致了新型耦合器和公分器的開發(fā)，如功率分配器、分支線混合網(wǎng)絡(luò)和耦合線定向耦合器等鍆。首先介紹常用的功率分配器和耦合器。蘭格（）耦合器蘭格耦合器是一個四端口的微帶耦合

30、器，原理框圖如圖所示。四個并行的微帶線兩兩交叉連接在一起。的蘭格耦合器，當(dāng)信號從端口輸入時，端和端有相差為的等幅信號輸出，但端口無信號輸出，是一種正交耦合器。理想蘭格耦合器的散色參量矩陣為：。二（）第章功率分砑已器度支線耦合器分支線耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò)，其原理框圖如圖所示。結(jié)構(gòu)中有兩對四分之一波長的傳輸線，每一對的特性阻抗與輸入、輸斑傳輸線的特性阻抗均不同，在給定耦合系數(shù)（）的情況下，其設(shè)計公式為：（）（）當(dāng)所有端口均匹配時，信號幽端口出入，端口和端有相位差為的等幅信號輸出，但端口沒有信號輸出。當(dāng)端豳輸入信號時，端口和端陰有相位差雋的等幅信號輸出，儇端露無輸出。因此端日和端是相互隔離的，其理

31、想的敖色參量矩陣為公式（）。分支線耦合器具有很好的對稱性，四端口中的任一端口均可作為輸入端口，位于輸入端口對面的兩端口為輸出端口，位于同側(cè)的端網(wǎng)為隔離端翻。功率分配器功率分配器是一個三端口網(wǎng)絡(luò)的耦合器，主要由一個設(shè)計在中心頻率處的四分之一阻抗變換器構(gòu)成，其原理框圖如所示。信號從端口王輸入，則端口和端（假設(shè)端口均匹配）有等幅同相的信號輸出。若講信號的流向調(diào)轉(zhuǎn)，即信號從端和輸入，從端口輸出，功分器就變成了一個功率合成器。由結(jié)構(gòu)圖可知，在輸入端與每個輸出端之間都含有一段膨的傳輸線（童為傳輸線的工作頻率的波長），該段傳輸線的特性阻抗）。輸入、輸如傳輸線的特性阻抗為，且各端口匹配。毛勰磊棗毛（）在兩并行

32、分支間添加一個阻值為的電阻，以吸收可能的反射信號，當(dāng)輸出端中的任何一端因失配而產(chǎn)生反射時，其反射信號將會在傳輸線與電阻之間平分，各自傳輸?shù)搅硪惠敵龆藭r為一對等幅反相信號麗相互抵消。功第章功率分配器率分配器的散色參量矩陣為：嘣出出（）圖蘭格耦合器功率輸出功圖分支線耦合器圖功率分配器第章功率分配器集總參數(shù)功率分配器功率分配器通常主要由一個設(shè)計在中心頻率處的四分之一阻抗變換器構(gòu)成。但是隨著和薄覆膜技術(shù)的普遍應(yīng)用，傳輸線的尺寸就顯得過于龐大，特別是頻率低于。比如特性阻抗，在一基板占，）上，厶時長度約為。為此研究者們探索出新的辦法，如用集總參數(shù)元件實現(xiàn)的丁型或萬型網(wǎng)絡(luò)，來等效四分之一波長阻抗變換器拍，。

33、由此可以大大減小電路尺寸，降低制造成本。網(wǎng)絡(luò)等效四分之一波長傳輸線電長度為曰，特征阻抗為乃的傳輸線，其等效的網(wǎng)絡(luò)如圖所示。丁型和萬型網(wǎng)絡(luò)分別為右手低通相位滯后網(wǎng)絡(luò)、左手高通相位超前網(wǎng)絡(luò)。為中心角頻率。電容和電感的值可以由公式（）、（）、表計算得到。圖萬型和丁型網(wǎng)絡(luò)：生廠。（護）（）（）：厶）“、，表電感的計算值一。以（目）矗（秒）一功率分配器結(jié)構(gòu)和仿真分析第章功率分配器右手低通萬網(wǎng)絡(luò)等效州傳輸線，電長度，傳輸線特征阻抗為乏弦芝，腳，工作中心頻率。功率分配器結(jié)構(gòu)如圖所示。仿真后得到圖所示的性能。圖集總參數(shù)功率分配器圖集總參數(shù)功率分配器（）同波損耗和隔離度（）插入損耗采用級聯(lián)的形式，在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上

34、可以得到一分四的功率分配器，即將輸入信號分成四路等幅等相的信號輸出。同樣，微帶線結(jié)構(gòu)除在尺寸受到很大制約外，其級聯(lián)的形式給制造工藝帶來很大的難度。因此，采用網(wǎng)絡(luò)等效傳輸線進行級聯(lián)，可以得到一分四的功率分配器。其結(jié)構(gòu)如圖所示，性能仿真如圖所示。第章功率分配器圖集總參數(shù)一份四功率分配器圖集總參數(shù)一分四功率分配器（）回波損耗和隔離度（）插入損耗由以上仿真結(jié)果可以得知，在一范圍內(nèi)，回波損耗、隔離度和插入損耗近似等于理想狀態(tài)。但是帶寬過于狹窄，在某些應(yīng)用情況中不能很好的滿足要求。所以功率分配額的帶寬是影響性能的主要因素之一。輸出三端口功率分配器兩端口輸出的功率分配器能衍生成多路功率分配器，圖所示。微帶線

35、工藝使這種結(jié)果制作在一個平面上非常困難。然而，集總參數(shù)的形式卻能輕松解決這個問題，其電路結(jié)構(gòu)如圖所示。第章功率分配器壓圖三路功率分配器圖三路集總參數(shù)功率分配器根據(jù)圖所示的電路結(jié)構(gòu)圖進行仿真，其中，工作中心頻率，胛，是經(jīng)驗電阻，通過調(diào)節(jié)可以改變功率分配器的性能和帶寬，仿真結(jié)果如圖所示。第章功率分配器，曩垂，毒暮圖集總參數(shù)一分三功率分配器（）網(wǎng)波損耗和隔離度（）插入損耗不等分功率分配器設(shè)計功率分配不等分的功率分配器，而且各個端口要求匹配。如圖。所示，鰓分之一傳輸線和用了醫(yī)配輸出端羽。采用集總參數(shù)元件網(wǎng)絡(luò)進行等效，得到圖的電路結(jié)構(gòu)圖。工作中心頻率，輸出端口和的輸出功率不等分。墨，之，磊，最，然仿真結(jié)

36、果如圖，輸出端口的功率分配比為。，圈不等分功率功率分配器結(jié)構(gòu)圖第章功率分配器圖不等分功率功率分配器集總參數(shù)電路圖強吣秈卜爭州卅玲刮心：“一、，圖功率分配比含有移相網(wǎng)絡(luò)的功率分配器如前文所述，功率分配器是射頻微波系統(tǒng)中常用的無源器件。而輸出兩路相位差信號的功率分配器是無線通信系統(tǒng)中重要的設(shè)備。例如，（）功率分配器廣泛應(yīng)用于鏡像抑制混頻器、平衡放大器和調(diào)相器。因此這類功率分配器在輸出端處帶有一個移相網(wǎng)絡(luò)，以使原本輸出等相的信號，變成有相位差的兩路信號力。集總參數(shù)無源移相網(wǎng)絡(luò)的功率分配器使用圖所示的丁型和萬型網(wǎng)絡(luò)（右手低通相位滯后網(wǎng)絡(luò)、左手高通相位超網(wǎng)絡(luò)），根據(jù)表的計算公式，采用集總參數(shù)元件，便可以

37、可到±（一。）第章功率分配器的移相網(wǎng)絡(luò)。度功率分配器在圖的基礎(chǔ)上，在輸出端口和處添加移相電路，即萬型右手低通網(wǎng)絡(luò)和萬型左手高通網(wǎng)絡(luò)，分別產(chǎn)生“的相位超前和的相位滯后，故兩路輸出信號之間有的相位差，電路結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，嘲，蚴，工作中心頻率，仿真后得到圖所示的結(jié)果，在范圍內(nèi)兩路輸出信號的相位差幾乎恒定為。圖功率分配器吶舢圖集總參數(shù)功率分配器（）回波損耗和隔離度（）插入損耗和輸出信號相位著第章功率分配器度功率分配器若需功率分配器的輸出相位為，則使用萬型右手低通網(wǎng)絡(luò)和型左手高通網(wǎng)絡(luò)，分別產(chǎn)生的相位超前和的相位滯后，電路結(jié)構(gòu)如圖。工一咖一圖功率分配器其中，易，工作中心頻率厶，仿真后得到圖所

38、示的結(jié)果。（）冒已臼墨鼻鼻夤圖集總參數(shù)功率分配器（）回波損耗和隔離度（）插入損耗和輸出信號相位差實踐設(shè)計與分析工作中心頻率，采用商用器件，電容、電感、隔離電阻分別采用標(biāo)準(zhǔn)一薄覆膜電容（），電容絕緣介質(zhì)厚度為。微帶螺旋電感（），和薄覆膜電阻（）。基板的參數(shù)為，。仿真結(jié)果如圖第章功率分配器所示。圖（）回波損耗和隔離度（）插入損耗采用了一系列非理想元件，電路之間的耦合效應(yīng)使電路特性發(fā)生漂移和退化，工作中心頻率已不在設(shè)計的厶。低值的螺旋電感，其電感值變化如圖所示。：一：了，；一。工，能圖微帶螺旋電感值由上圖可知，電感值的非線性變化，隨著頻率增大，越來越接近電感諧振頻率，致使在匹配上有偏差，工作的中心頻

39、率發(fā)生了漂移。同時插入損耗惡化，帶寬非常狹窄。若要獲得較好的性能，需增大了電感線圈直徑，但增大了電路尺寸，也增加了工藝的復(fù)雜度。功率分配器中螺旋片上電感占用的面積最大，是直接影響到功率分配器性能的重要元件。因此，本論文將在第章中就此問題，從物理模型、數(shù)學(xué)分析、參數(shù)控制、設(shè)計優(yōu)化到工藝選擇，進行了深入的研究和探討。第章功率分配器本章小節(jié)本章介紹了幾種常用的耦合器，重點介紹了功率分配器的結(jié)構(gòu)和原理。針對、型化的要求，采用無源網(wǎng)絡(luò)，等效傳統(tǒng)功率分配器中四分之一波長傳輸線的方法，設(shè)計了的功率分配器，并對電路進行了仿真，得到理想的結(jié)果。采用級聯(lián)形式，在已設(shè)計的集總參數(shù)功率分配器基礎(chǔ)上，設(shè)計并仿真了一分四

40、功率分配器。增加移相網(wǎng)絡(luò)，使輸出信號產(chǎn)生相位差，以適應(yīng)更多的設(shè)備需求。設(shè)計仿真了輸出信號相位差為坩的功率分配器。采用常用的商業(yè)器件來仿真集總參數(shù)功率分配器，由仿真結(jié)果可以看到，由于元件的非理想性和隨著頻率的非線性變化，導(dǎo)致工作頻率的漂移，帶寬進一步縮小，越是接近網(wǎng)絡(luò)諧振頻率，性能越惡化，甚至完全失配。第章片上電感的物理模型與特型分析第章片上電感的物理模型與特性分析商業(yè)化發(fā)展的需求以及技術(shù)的推進，低成本的工藝設(shè)計單芯片射頻收發(fā)機得到廣泛生產(chǎn)應(yīng)用。片上電感是非常重要而且必不可少的無源器件。但是由于金屬導(dǎo)體損耗，半導(dǎo)體襯底的電磁損耗，使標(biāo)準(zhǔn)工藝的片上電感品質(zhì)因素很低，直接影響到整個系統(tǒng)的性能。例如，

41、壓控振蕩器（）的相位噪聲主要取決于諧振回路的品質(zhì)因素；鏡像濾波器是實現(xiàn)工藝單片集成超外差接收器的瓶頸，高質(zhì)量的電感對于實現(xiàn)鏡像濾波器是非常有用的。因此，對工藝片上電感的研究和優(yōu)化設(shè)計，是十分必要的。就一般情況而言，電路設(shè)計人員會直接使用芯片代加工廠提供的通用片上電感。這些電感一般只是采用互連線頂部兩層金屬的并聯(lián)設(shè)計而成的，電感的內(nèi)徑、線寬和間距相同，不同的圈數(shù)實現(xiàn)不同的電感值。但是，這些通用電感很難優(yōu)化所有射頻電路的設(shè)計。例如設(shè)計一個的接收機，并不一定需要片上電感的自諧振頻率達到，將幾乎所有的金屬層并聯(lián)來降低電感的串聯(lián)電阻，提高電感的品質(zhì)因數(shù)，一般也能滿足電路對電感自諧振頻率的要求。另外代加工

42、廠的電感一般不提供用降低損耗的措施，比如提供電感地屏蔽層，以減少電感襯底的電場損耗。實際的片上電感不是理想元件，除了自身固有的電感之外，還具有寄生電阻和寄生電容以及襯底損耗。多數(shù)電路設(shè)計人員，并不是十分了解片上電感的物理屬性，很少考慮自己優(yōu)化片上電感，而簡單的將電感當(dāng)成一個元件使用。本章的任務(wù)就是詳細(xì)分析片上電感的固有參量和寄生參量的物理屬性，為片上電感的優(yōu)化提供理論依據(jù)。金屬互連線電感是應(yīng)用最為廣泛的，也是集成電感研究的主要對象。本章重點研究和分析金屬互相連線電感中最常用的形式一平面螺旋電感。串聯(lián)電感電感是磁能貯存元件，在自感基礎(chǔ)上通過不同電感線段之間的互感，相互增強來實現(xiàn)較大的電感值。電感

43、設(shè)計的一個重要目標(biāo)，即使用較小的芯片面積第章片上電感的物理模型與特型分析來實現(xiàn)合理的電感值和相對理想的品質(zhì)因數(shù)。自感交變的電場可以產(chǎn)生磁場，用安培定律來表示兩者的關(guān)系：×曰叫，啦等（），其中、分別為材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。等式右邊的第一項代表常規(guī)電流產(chǎn)生的磁場。第二項代表兩個導(dǎo)體之間由于位移電流（由于電容耦合在兩個導(dǎo)體之間流過的交流電流）產(chǎn)生的磁場。由于集成電感線圈的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線圈之間的位移電流，第二項是可以忽略的，這個假設(shè)稱為準(zhǔn)靜磁近似。積分形式的安培環(huán)路定理為：扣刃（，歸豢凼法拉第法則陳述了交變的磁場產(chǎn)生了一個誘發(fā)的電場：（）：一絲（）積分形式的法拉第法則為：一，一警是金屬互連

44、線的基本物理屬性，反映了導(dǎo)體幾何輪廓和磁通量的關(guān)系。，。（）使用安培定律和法拉第法則就可以分析磁場和電場之間的相互作用。電感只要通過導(dǎo)線回路的磁通量發(fā)生變化，回路中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。同樣，當(dāng)回路中有電流流過時，該電流產(chǎn)生的磁通量又必定通過此回路。當(dāng)一個線圈通過交變電流時，它產(chǎn)生的變化磁通量，必將在自己的回路中激起感應(yīng)電動勢。這種因為線圈中變化的電流所產(chǎn)生的磁通量的變化，因而在線圈自身回路中激起感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，稱為自感現(xiàn)象，這個電動勢就稱為自感電動勢。當(dāng)線圈中通過的電流為，根據(jù)畢奧一薩伐兒定律，該電流在空間任一點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度都與回路的電流成正比，磁通量也與電流，成正比即：三：皇（）第

45、章片上電感的物理模型與特型分析上式中，稱為自感系數(shù)。它的數(shù)值與線圈的大小、匝數(shù)，幾何形狀、及線圈的磁介質(zhì)有關(guān)，其單位是亨利?；ジ袃蓚€相鄰線圈的磁場互相通過對方的包圍面積，當(dāng)電流發(fā)生變化時，由線圈中的電流厶所引起的變化磁場在通過線圈時，會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；同樣，線圈中的電流厶所引起的變化磁場在通過線圈時，也會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。兩個載流線圈相互激起感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動勢稱為互感電動勢。電流引起的變化磁場產(chǎn)生的通過線圈的磁通量：必與電流成正比：，：笠（），生一（）式中，：和：。是兩個比例系數(shù)，它與兩個線圈的大小、匝數(shù)、位置、幾何形狀以及周圍的磁介質(zhì)有關(guān)。當(dāng)這些條件不

46、變時，。鳩，是個常數(shù)，稱為線圈的互感。這樣互感表示為：笠：盟（）當(dāng)兩個線圈耦合時，還可以系數(shù)表示它們之間的耦合程度，稱為耦合系數(shù)。耦合系數(shù)的大小為：七：粵竺厶厶（）耦合系數(shù)的大小表示兩個線圈耦合的緊密程度，由于互感系數(shù)的大小與兩個線圈的相互位置和方向有關(guān)。當(dāng)兩個線圈的軸線一致時，靠得越近，耦合得越緊密，耦合系數(shù)也隨之增大。但是，耦合系數(shù)總是一個小于的下數(shù)，這是因為無論兩個線圈耦合得多么緊密，總存在漏磁。當(dāng)兩個串聯(lián)線圈厶和厶的電流方向一致時，其磁場方向是相同的，這時候互感是相互加強的，互感系數(shù)是下的，兩個線圈的自感電感總量為：第章片上電感的物理模型與特型分析己厶心（）當(dāng)厶和厶的電流方向相反時，它們的磁場方向是相反的，互感是相互減弱的，互感系數(shù)是負(fù)的，兩個線圈的自感電感總量為：三厶心一（）電感的大小與自感和互感有關(guān)，因此設(shè)計電感時，應(yīng)盡量增大電感的自感和正互感，減小負(fù)互感。電感值的計算已知電感的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，理論上是可以計算電感值的。直流電感可以通過公式文獻引或者文酬方法精確地計算得到。趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和襯底變壓器效應(yīng)都是影響電感線圈電流分布的因素，因此必須考慮這些參數(shù)才能得到準(zhǔn)確的通用簡單計算公式。線圈的電感值除了自感和線圈之間的互感外，還有