标签: 射频前端

硅是上帝送给人类的礼物。电路板中绝大多数器件都采用体硅CMOS工艺（硅的原材料是沙子）制造，但有一个部分却难以实现，那就是射频前端。目前射频前端 主要采用GaAs或SiGe工艺制造，但由于材料的稀缺性和工艺的复杂性，射频前端芯片（RFeIC）良率不高，成本太贵。这阻碍了物联网（IoT）传感 器节点（单价应低于1美元）的普及。 RFaxis是一家专注于射频前端设计的公司，该公司解决了以标准CMOS工艺生产RFeIC的 难题。RFaxis公司产品营销和客户应用工程总监虞强博士表示，以往有很多关于用CMOS技术设计制造射频前端的论文，但是真正实现起来却有很大难 度：1.CMOS的击穿电压较低，难以做到大功率；2.截止频率低即惰性强，要提高功率需选用较厚材料，然而却会增加惰性；3.电导率低，难以把直流转换 成射频信号，这又牵涉到转换效率（功耗）和增益问题。 RFaxis全球销售副总裁Raymond Biagan介绍道，RFaxis生产的RFeIC是高集成度的单芯片、单裸片解决方案。与传统采用分立器件或前端模块（FEM）所开发的RF前端相 比，RFaxis CMOS工艺器件不但大幅降低了成本，系统复杂度及噪声也同时减少。 射频前端的主要功能是连接收发器和天 线，用以增大输出功率，提高接收灵敏度，增加传输速率和距离。传统的RFIC由独立的PA（功率放大器）、LNA（低噪声放大器）、开关（SW）和分立器 件所组成，采用GaAs或SiC工艺将其结合在一个模块里。另外，其集成度远低于纯CMOS工艺产品。 图1：RFaxis用CMOS工艺将PA、LNA和SW集成在单个裸片上。 GaAs或SiC工艺产品无法做到高集成度，通常在一个芯片内包含两个以上裸片，然后通过引线键合连接在一起。而RFaxis的芯片则是完全由一个单裸片所组成，而且这样性能也得到更加优化。 图2：RFaxis纯CMOS工艺单芯片、单裸片RFeIC引领下一代射频前端发展。 RFaxis是唯一一家以纯CMOS工艺生产RFeIC的公司，其产品与竞争对手相比性能相当。而且因为是采用纯CMOS工艺生产，所以无论是工艺还是交货周期都优于GaAs工艺。 在整个半导体行业中，GaAs及SiGe相对于CMOS来讲只是非常小的一个部分。GaAs及SiGe是非常稀缺的资源，无线通信的发展受限于这些资源的稀缺性。这就是为什么最近4G LTE市场爆发，但是竞争对手却无法及时交货的原因。 传 统GaAs工艺的晶圆采用6英寸工艺，其成本远大于1000美元，而RFaxis采用0.18μm的8英寸晶圆的成本却远小于1000美元。这也就是说 RFaxis的晶圆比竞争对手的面积更大，但是价格却更便宜，因此RFaxis单颗裸片成本远小于GaAs工艺。另外，GaAs是特殊工艺，其良率远低于 CMOS工艺。 图3：高通Xb143参考设计用RFX8050/8051取代了Skyworks和RFMD产品。 “我们的产品的优势是：1.成本更低；2.集成度更高；3.超越竞争对手的性能；4.更好的ESD保护性能，因为CMOS工艺的电导性更好，工作温度也更高；5.外部电路更简单，更易于开发，系统成本也更低。”Biagan最后总结道。

介绍了一种新颖的小型化射频收发前端设计方法，采用这种方法在LTCC基片上实现了一款L波段双频段射频收发前端，其电路尺寸仅为6.5 mm × 5mm × 0.5mm。样品测试结果表明，该射频收发前端的各项性能指标均达到了设计预期要求，并且具有接收损耗低、收发隔离度高等优点。文章分工作原理介绍、详细电路设计、三维结构实现、参数仿真优化几个方面对整个设计过程进行了较为详细的讲解，最后结合测试曲线对样品的测试结果作了简单分析。 随着现代无线通讯技术的发展，射频微波器件和功能模块的小型化需求日益迫切。本文介绍的L波段收发射频前端采用LTCC工艺，利用无源电路的三维叠层结构，大大缩小了电路尺寸。在电路设计上，使用单节λ/4短截线收发开关电路，既保证了高收发隔离和低损耗接收的电路性能，又比传统的并联式开关电路节省了一节λ/4短截线占据的空间，缩小了电路尺寸。 1 工作原理 本文介绍的收发前端包括一个900MHz与1800MHz双工器、两路PIN 管收发开关和两个声表面滤波器，电路原理如图1。 图1射频收发前端原理图 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 2 电路设计 2.1 开关电路设计 射频微波电路中经常使用PIN二极管作开关器件。其结构像三明治一样，在高掺杂的P+和N+层之间夹有一本征的I层或低掺杂半导体中间附加层。设I层厚度为W，在正向偏压下，对于轻掺杂N型本征层，流过PIN二极管的电流为： 由上面的公式导出的结电阻和扩散电容可以在实际应用中很近似地模拟PIN二极管的性能。PIN管在正偏压下等效为结电阻Rs(本文中正偏压为2.5V，Rs约1欧姆)；反偏压卜等效为扩散电容CT(本文中为零偏，CT约0.5PF，在2GHz以下阻抗为千欧级)。 λ/4短截线常用于窄带内两个网络之间的阻抗匹配。设Z 1 、Z 2 为两个不等的阻抗，Z 0 为传输线的特征阻抗，调整Z 0 使之满足： Z 2 0 =Z 1 ×Z 2 (4) 则两个阻抗之间实现了匹配。图1中，Z 0 已知(50欧)，Z 1 为PIN 管正偏时的自谐振阻抗Rs或反偏时的开路隔离阻抗。当PIN管正偏置时，Z 1 很小接近于短路，经过λ/4短截线后在公共端口等效为开路，接收端被隔离，发射支路工作。当二极管反偏置时Z 1 接近开路状态(C T )，发射端被隔离，保证低损耗接收。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 2.2 双工器设计 由图1可见，天线接收发射的信号都要经过一个双工器，该双工器的主要功能是隔离GSM900频段与DCS1800频段信号。本文介绍的是一个GSM 手机前端，GSM 频段上下行频率范围为890-915MHz(TX)和935-960MHz(RX)，DCS频段上下行频率范围为1710-1785 MHz(Tx)和1805-l880MHz(Rx)。图2为双工器的电路结构。 图2 双工器电路图 如图2，在天线和GSM端口之间是一个低通滤波器，其截止频率在1000MHz左右，C1和L1组成并联谐振产生传输零点，我们设计其谐振点在1800MHz左右，用来抑制DCS频段信号，同时又可增加对GSM 频段二次谐波的抑制。 同时，在DCS端口天线之间是一个高通滤波器，C 5 和L 2 、L 3 和C 6 同时产生串联谐振，谐振频率在900MHz左右，用来抑制GSM频段信号。 按照同样方法可完成发射端口低通滤波器设计。最后利用ansof公司的电路仿真软件designer对收发前端模块进行整体电路仿真，优化参数，得到准确的电路模型。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果 3 三维结构实现 电路仿真优化设计完成之后，对合适的无源元件在电磁仿真软件Q3D中建模，优化其C、L值，然后导入HFSS中整体仿真优化S参数。对于一些取值较大的元件如扼流线圈和限流电阻，由于模块基板尺寸和材料介电常数的限制，采用LTCC难以实现，将其和非线性元件PIN二极管、声表面波滤波器(SAW)一起表贴在基板上。对于λ/4短截线，由于每层的平面空间有限，采用多层螺旋线来实现，既可以节约空间又可以利用其产生电容来等效缩短λ/4传输线的长度。 4 实验结果 将最终加工得到的模块实物焊接在测试夹具上进行测试，两个频段的接收插损均小于1.9dB(通带内波动小于0.5dB)，两个频段收发隔离均大于25dBc。 5 结语 本文介绍了一款小型化L波段射频收发前端模块的设计过程，从电路设计、三维建模、仿真优化、测试结果分析几个方面进行了较为详细的讲解。其中使用的单节λ/4短截线收发开关电路既有效地降低了接收损耗、改善了收发隔离，又缩小了电路尺寸，值得借鉴。 【分页导航】 第1页： 工作原理 第2页： 电路设计:开关电路设计 第3页： 电路设计:双工器设计 第4页： 三维结构实现/实验结果