基于SiP技術的超小型射頻收發系統

陳 贊，方詩峰， 王思超

(上海航天技術研究院804所 微波專業部，上海 201109)

基于SiP技術的超小型射頻收發系統

陳 贊，方詩峰， 王思超

(上海航天技術研究院804所 微波專業部，上海 201109)

基于SiP技術的射頻收發系統能顯著減小傳統射頻系統的體積，提高系統的穩定性。基于系統級封裝的無線射頻收發系統可以將具有不同功能的子系統集成起來，在一個封裝體內形成較完整的系統，是一種高密度集成封裝形式。基于系統級封裝的無線射頻收發系統具有兩個核心特征，一是可以將模擬、微波和數字等不同工藝的芯片集成在一個封裝中，各種不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工藝技術來設計制造，從而實現強大的、多種類的系統功能；二是可以將過去系統母板上的分立元件集成在多層封裝基底中，使系統小型化。面向系統級封裝的無線射頻收發系統是未來發展的必然趨勢。

SiP；射頻；收發系統

0 引言

傳統的射頻收發系統以板級電路為主，采用分立元器件搭建，這樣必然造成體積較大，同時由于線路較長、元器件焊接工藝等因素，造成整個系統穩定性下降。隨著各類應用系統對體積、穩定性等要求的不斷提高，傳統射頻收發系統由于其固有特性使其越來越難以滿足小型化高穩定性的要求，因此迫切需要采用新技術來改進基于板級的射頻系統。SiP技術能很好地解決當前的技術瓶頸，實現射頻收發系統的小型化，同時提高系統的穩定性，是未來發展的必然趨勢[1]。

圖1 發射通道

1 SiP技術

系統級封裝(System in Package, SiP)指在一個封裝體中集成一個系統。通常，這個系統需要封裝多個芯片并能獨立完成特定任務。SiP封裝具體表現為大規模、多芯片、3D立體化封裝，其3D立體化主要表現在芯片堆疊和基板腔體兩個方面[2]。

2 傳統射頻收發系統

傳統的射頻收發系統以板級電路為主，采用分立元器件搭建系統，其中發射通道用于將中頻信號上變頻至射頻信號，接收通道用于將接收的射頻信號下變頻至中頻信號。

設計前根據系統指標要求完成設計報告，做好頻率規劃，頻率規劃要考慮系統對雜散、諧波抑制的要求、濾波器選擇的可實現性以及本振信號源實現的簡單性。

這里給出的發射通道和接收通道采用的都是典型的兩次變頻方案，發射和接收通道的具體信號流程圖分別如圖1和圖2所示。

圖2 接收通道

然后根據頻率規劃及方案信號流程圖，選用元器件，再繪制原理圖及PCB，最終制板、電裝以及調試，完成設計任務。

以上就是傳統的射頻收發系統的設計及實現過程。

3 基于SIP技術的射頻收發系統

基于SiP技術的射頻收發系統是指采用系統級封裝技術來設計射頻收發系統，其與傳統射頻收發系統的設計及實現過程的主要區別在于工藝技術及物理實現過程，而信號原理流程基本相同。

在電子系統向多功能化、小型化與低成本方向發展的進程中，GaAs單片集成電路技術在無線射頻收、發功能中發揮了至關重要的作用。但要將GaAs單片集成電路與其他不同功能的芯片集成,實現功能強大的電子系統還面臨不少挑戰，因為GaAs基芯片工藝兼容性差、靈活性較低，而不同功能的芯片采用不同的工藝，限制了整個系統的進一步集成。基于系統級封裝的無線射頻收發系統可以將具有不同功能的子系統(包括射頻收發芯片與數字芯片等)集成起來，在一個封裝體內形成較完整系統的一種高密度集成封裝形式,如圖3所示。

圖3 基于系統級封裝的無線射頻收發系統

基于系統級封裝的無線射頻收發系統具有兩個核心特征，一是可以將模擬、微波和數字等不同工藝的芯片集成在一個封裝中，各種不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工藝技術來設計制造，從而實現強大的、多種類的系統功能；二是可以將過去系統母板上的分立元件集成在多層封裝基底中，使系統小型化。因此，研發面向系統級封裝的無線射頻收發系統是未來發展的必然趨勢。

3.1 基于SiP技術射頻收發系統的關鍵技術

采用BCB薄膜工藝的高性能、低功耗小型化射頻收發組件實現方案是一種新型的面向系統級封裝的射頻收發系統方案，該方案能顯著減小射頻收發系統體積，提高系統的穩定性，該方案關鍵技術[3]如下。

(1)合理分解技術指標，確立射頻收發系統芯片內、芯片間和BCB薄膜工藝封裝間多層次體系結構，尋求減少系統復雜度、額外耗費、功耗和片外器件的組成框架和設計方案。

(2)基于系統級封裝的射頻收發組件核心器件低功耗小型化設計。在設計過程中注重從系統級的角度分解各元器件的性能指標，并利用電磁、熱一體化的混合場分析方法，獲得對基于系統級封裝的射頻收發系統元器件結構性能的全面認識和理解；將無源器件的不同新型結構有機地結合(如采用加脊、加隔板、折疊、半模、左手、半模折疊、消逝模等緊縮型結構)，最大限度地提高元器件結構的綜合性能，并使之小型化；將場、路分析方法有機地結合，顯著地提高系統級封裝中新型元器件結構的優化設計效率，快速獲得低功耗的實現方法。利用與系統級封裝兼容的先進集成工藝，確保高性價比小型化元器件結構的順利實現。

(3)基于系統級封裝的射頻收發系統的信號完整性分析與電熱一體化協同設計。設計時充分考慮BCB薄膜工藝封裝的熱特性，建立電、熱相關模型，對射頻收發系統的信號完整性進行分析。

(4)基于系統級封裝的射頻收發系統測試。搭建射頻收發系統測試平臺，提出測試方法，評估測試方案。

3.2 基于SiP技術射頻收發系統的技術路線

基于SiP技術的無線射頻收發系統的總體技術路線是從構架設計，經指標分解，再到核心器件設計和封裝結構設計，最終完成射頻收發系統。

3.2.1射頻收發系統總體架構設計

為了提高設計系統性能，降低設計復雜度，實現設計指標，須做好系統總體構架設計，可采用以下設計方法：(1)對具有相同同步時鐘的收發模塊采用同一個射頻時鐘收發器，以降低系統復雜度、成本和系統功耗；(2)借鑒現代計算機及通信系統中參考時鐘的方式，減小所需晶振電路等片外器件的數量；(3)通過結合導波媒質中互連系統的實際要求，適當放寬對射頻范圍內帶通濾波器品質因素的約束，減小濾波器階數，采用多模諧振器實現帶通濾波器；(4)研究更為合理的指標分解模式，使得包括濾波單元、片上低噪聲放大器等在內的各芯片模塊性能都容易滿足性能指標，保證射頻組件與其他模塊具有一體化的接口和優秀的整體工作性能；(5)深入研究無線射頻收發組件本身特點，確立面向系統級封裝的片內、片間、封裝間多層次的互芯片架設體系。圖4所示是收發組件封裝結構示意圖。

圖4 基于系統級封裝的射頻收發系統

在封裝工藝中采用光敏復合薄膜多層(BCB)工藝(如圖5所示)，將部分射頻芯片(如VCO等)集成在底部，將調制解調芯片、低噪聲放大器和功率放大器集成在表面，以最大限度地減小收發系統尺寸。

圖5 BCB光敏復合薄膜多層工藝流程圖

3.2.2射頻收發系統的信號完整性和電磁兼容性

隨著集成密度和工作頻率不斷升高，射頻系統級封裝中的信號完整性問題成為影響系統性能的關鍵因素之一。可采用空間映射和模糊-神經網絡方法建立相關有源器件的精確模型；利用矢量匹配、維度分析等技術建立無源元件的精確宏模型并保證其無源性和因果性；采用區域分解、廣義傳輸矩陣算法實現射頻與無線互連系統的快速高效電磁仿真；綜合利用時-頻混合方法研究互連系統的傳輸特性，并采用場-路結合技術分析三維復雜結構的信號完整性/電磁兼容性問題；在互連布線、微波高速電路EDA、電磁-熱-力混合物理場仿真軟件的基礎上融入上述方法，形成基于系統級封裝的無線射頻收發系統的設計環境。

根據信號完整性分析要求，可將無線射頻收發系統分為射頻/數模信號完整性和射頻通道內部信號完整性兩個層面進行處理，如圖6所示。

對于射頻通道內的信號完整性問題，將綜合利用隔離、屏蔽、濾波、差分和保護等方法。振蕩器(VCO)可以利用BCB工藝將其埋置于襯底內部，也可以利用接地網絡來提高與其他射頻器件的隔離度，針對接地平面諧振網絡進行建模，充分利用接地平面本身的區域特性，采用結合矩形和三角形的分塊劃分方法，將解析模型和集總元件模型相結合。這種方法能夠在保持計算精度的同時大幅度減小存儲空間及仿真時間，并且可以分析任意不規則結構和多層結構。

圖6 射頻收發系統信號完整性問題的解決方法

對于射頻/數模信號完整性問題，首先借助金屬過孔陣列抑制封裝環境中相鄰器件或模塊間的高頻串擾,對過孔陣列幾何參數(埋入深度、高度和周期)和排布方式進行優化以取得最佳的隔離度。利用接地金屬柵網和電磁帶隙結構抑制射頻/數模信號間的耦合噪聲。為了阻隔射頻/數模芯片間的傳導耦合噪聲,可在射頻/數模芯片間加濾波器。另外，應用單個和多個去耦電容,切斷經接地回路引入的傳導耦合噪聲，通過優化分配去耦電容在結構中的布局(包括位置、電容量和去耦電容個數)來達到最佳效果。

3.2.3射頻收發系統中核心器件的低功耗和小型化

針對組件中的無源器件可充分利用系統級封裝中多層結構易于實現的優點，將無源器件和部分有源器件集成于BCB薄膜工藝中，例如可以采用電磁帶隙、接地缺陷結構，設計濾波器、雙工器，并且利用其寬阻帶和慢波特性；利用基片集成波導技術設計耦合器、功分器、電橋等結構，利用其高品質因素、高功率容量、低損耗、低互擾等特點，提高元器件結構的物理(電磁、熱)性能和可靠性,提高元器件的電性能并減小其幾何尺寸。

針對系統中的有源器件，根據其指標分配情況，合理選擇或設計GaAs MMIC裸片，主要包括發射支路(壓控振蕩器、放大器等)和接收支路(低噪聲放大器等)。

4 結論

綜前所述，基于SiP技術的射頻收發系統的設計方法與傳統設計方法有很大的不同，傳統設計方法主要是基于板級的設計，采用分立元件的解決方案，而基于SiP技術的設計方法主要是從系統的小型化出發，采用先進的工藝和封裝技術，先仔細完成總體構架設計，充分考慮到系統的信號完整性和電磁兼容性，還要完成元器件的低功耗和小型化，更多地采用管芯設計。總體上，基于SiP的設計方法復雜度高于傳統設計方法，但它能滿足系統小型化和高可靠性的要求，具有廣闊的應用前景。

[1] 蔡堅，王水弟，賈松良.系統級封裝(SiP)集成技術與挑戰[J].中國集成電路，2006,15(9):60-63.

[2] 李揚，劉楊.SiP系統級封裝設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3] 李浪平，王正義.系統級封裝(SiP)技術發展與應用綜述[J].混合微電子技術，2011，19(1)：2-10.

Ultra small RF transceiver system based on SiP technology

Chen Zan, Fang Shifeng, Wang Sichao

(No.804 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

RF transceiver system based on SiP technology can significantly reduce the size of the traditional RF system and improve the stability of the system. The RF transceiver system based on system level packaging can integrate the subsystems with different functions and form a complete system in a package. The wireless RF transceiver system based on the package has two core features. Firstly, it has the capacity to integrate many chips in a single chip, these chips may be analog, microwave and digital chips, and they can be designed and manufactured using their own appropriate technics, so the SiP can realize the multifunctional system. Secondly, the SiP can make the system minimize, because it can integrate components in the multilayer substractes, which are placed on the motherboard past. System oriented wireless RF transceiver system is the inevitable trend of future development.

SiP; RF; transceiver system

TP925+.91

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.020

陳贊，方詩峰， 王思超.基于SiP技術的超小型射頻收發系統[J].微型機與應用，2017,36(20)：67-70.

2017-03-27)

方濤峰(1987-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：接收機設計與信號處理。