系統(tǒng)級封裝的S頻段射頻收發(fā)模塊研制*

武紅玉，厲志強，汪江濤

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊　050051）

系統(tǒng)級封裝的S頻段射頻收發(fā)模塊研制*

武紅玉**，厲志強，汪江濤

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊050051）

研制了一種小體積的S頻段射頻收發(fā)系統(tǒng)級封裝（SIP）模塊，內(nèi)部集成了基于多種工藝的器件。模塊接收通道一次變頻，發(fā)射通道二次變頻，內(nèi)部集成中頻和射頻本振信號源。模塊采用雙腔結(jié)構(gòu)，不同腔體之間通過絕緣子進行垂直互連，大大減小了模塊體積，模塊體積為40 mm×40 mm× 10 mm。模塊采用正向設(shè)計，其主要指標的測試結(jié)果為：接收通道動態(tài)范圍-100～-40 dBm，輸出信號0～2 dBm，噪聲系數(shù)小于等于2.8 dB，帶外抑制大于等于50 dBc；發(fā)射通道輸出信號大于等于2 dBm，二次、三次諧波抑制大于等于60 dBc，雜波抑制大于等于55 dBc，相位噪聲在1 kHz和10 kHz處分別小于等于-82 dBc/Hz和-91 dBc/Hz。實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

S頻段；射頻收發(fā)系統(tǒng)；系統(tǒng)級封裝；本振信號源；垂直互連結(jié)構(gòu)

1　引　言

系統(tǒng)級封裝（System in Package，SIP）是將一個完整的電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)高密度地封裝在一個封裝體內(nèi)，相對于系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SOC），其優(yōu)勢是可以使用不同工藝（CMOS、Bi-CMOS、GaAs、 Si-Ge、MEMS、MCM等）制作的不同類型（芯片、阻容、光機電、傳感器、耦合器等）的器件，發(fā)揮各個工藝的優(yōu)勢，性能指標優(yōu)異，且研發(fā)周期短，成本低［1］。從20世紀90年代美國率先將SIP確定為重點發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)以來，SIP在各個行業(yè)獲得了快速發(fā)展和豐富應(yīng)用［2］。射頻SIP是SIP的一個重要分支，其主要類型包括硅基、低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）和多層板，主要工藝包括倒裝、鍵合、芯片層疊、陶瓷襯底、球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）、柵格陣列（Land Grid Array，LGA）等，典型應(yīng)用有功率放大器（Power Amplifier，PA）、802.11b WLAN、藍牙等。文獻［3］介紹了一款3D SIP無線生物電子傳感器，內(nèi)部集成了2.4 GHz無線收發(fā)器、天線、微控制器、晶體和無源器件等多種器件，不同層通過焊料球（Solder Ball）連接，尺寸僅為15 mm×15 mm。

本文介紹了一種S頻段變頻收發(fā)SIP模塊的研制。模塊使用器件類型豐富，封裝類型包括裸芯片、QFN、LFCSP、SMT陶瓷外殼、SMT金屬外殼等，器件制造工藝包括CMOS、GaAs、Si-Ge、混合集成、聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）。通過科學的原理圖設(shè)計、軟件仿真、雙腔結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件布局，實現(xiàn)了模塊的小型化和較優(yōu)異的指標。

2　模塊設(shè)計

模塊要求發(fā)射二次變頻，接收一次變頻，內(nèi)部要求集成本振信號源和多個濾波器，以抑制諧波和雜波，整個封裝體積要求小于40 mm×40 mm×10 mm。指標要求為接收動態(tài)范圍-100～-40 dBm，輸出信號-3～+3 dBm，噪聲系數(shù)小于等于3 dB，帶外抑制大于等于45 dBc；發(fā)射輸出信號大于等于2 dBm，諧波抑制大于等于50 dBc，雜波抑制大于等于50 dBc，相位噪聲在1 kHz和10 kHz處分別小于等于-80 dBc/Hz和-90 dBc/Hz。

由于模塊的發(fā)射輸入頻率和接收輸出頻率都為幾十MHz，這個頻段的聲表面波濾波器和LC濾波器體積都較大，為了滿足模塊的封裝體積要求，必須充分利用高度空間，把模塊分成上下兩個腔體，腔體之間通過垂直互連結(jié)構(gòu)連接。

2.1本振源部分的設(shè)計

本SIP模塊作為一個具有完整功能的系統(tǒng)，內(nèi)部集成本振信號源。設(shè)計時，為了減少本振源的數(shù)量，接收本振源和發(fā)射二次變頻本振源設(shè)計為相同頻率，這樣發(fā)射和接收總共需要兩個本振源即可。

器件選型上，選擇基于單片集成電路工藝的一款頻率綜合器作為本振源，它功能強大，可以輸出一路中頻信號和一路射頻信號，內(nèi)部集成VCO、環(huán)路濾波器、鑒相器，采用28針QFN封裝，體積僅為5 mm×5 mm×0.85 mm。SIP模塊上電時，內(nèi)部集成的一個QFN封裝的MCU（單片機）自動通過三線串行接口對頻率綜合器進行編程，實現(xiàn)中頻和射頻本振源的輸出，其中射頻信號功分成兩路，分別提供給接收和發(fā)射二次變頻。為了控制諧波和雜波，同時為了給混頻器提供足夠大的本振信號，頻率綜合器輸出信號經(jīng)過放大器和濾波器，然后再提供給混頻器。整個本振源部分的框圖如圖1所示。

圖1　中頻和射頻本振源原理框圖Fig.1 The scheme diagram of IF and RF LO signal source

頻率綜合器輸出的射頻信號相位噪聲測試結(jié)果為射頻信號-82 dBc/Hz@1 kHz、-92 dBc/Hz@10 kHz，輸出的中頻信號相位噪聲為-112 dBc/Hz@1 kHz、-120 dBc/Hz@10 kHz，整個SIP模塊的相位噪聲主要由射頻本振源決定。

2.2接收鏈路的設(shè)計和仿真

接收鏈路的原理框圖如圖2所示。

圖2　接收鏈路仿真原理框圖Fig.2 The simulation scheme diagram of receiving link

接收信號輸入后，需要先進入一個濾波器來抑制帶外干擾信號，由于該濾波器位于接收鏈路第一級，根據(jù)噪聲系數(shù)的級聯(lián)公式［4］

其插損對鏈路噪聲影響很大，選擇的表面波濾波器插損做到了1.5 dB以內(nèi)。

第二級為噪聲系數(shù)1.4 dB的低噪聲放大器MMIC，其噪聲對鏈路噪聲影響也很大。鏈路中的溫補衰減器用于高低溫時補償增益變化，維持增益穩(wěn)定。限幅放大器用來實現(xiàn)-100～-40 dBm的寬動態(tài)范圍，其增益27 dB，限幅輸出功率0 dBm，三級級聯(lián)使用。鏈路末端，信號經(jīng)低通濾波器抑制諧波后，經(jīng)差分放大器輸出，可以直接驅(qū)動后級的ADC器件。

為了達到-100 dBm的接收靈敏度［5］，設(shè)計的要點是混頻后要先中頻濾波，再進入限幅放大器，而不是一般的先放大再濾波。如果先放大的話，當鏈路接收信號為-100 dBm時，由于前面增益總共為36 dB，進入限幅放大器的射頻信號功率為-64 dBm。此時進入限幅放大器的噪聲功率為［4］

式中∶k=1.38×10-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)；TA=290 K；Te為系統(tǒng)的等效噪聲溫度［4］。由于

式中∶F為系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，無單位。把公式（3）代入公式（2）得到

上式噪聲功率單位為W，換算成dBm得到

取噪聲系數(shù)為3 dB，前級帶通濾波器通帶帶寬50 MHz，增益36 dB，得到噪聲功率為-58 dBm，比射頻信號功率-64 dBm還要大6 dB。該噪聲功率進入限幅器會導致限幅器飽和而阻塞射頻信號的放大，導致-100 dBm進入接收鏈路時被噪聲淹沒，無法達到該接收靈敏度，所以混頻后必須先經(jīng)過帶寬為1 MHz、插損11 dB的中頻濾波器濾波，此時射頻信號功率為-75 dBm，噪聲功率為-86 dBm，再進入限幅放大器就沒有問題了。

上述計算結(jié)果在軟件仿真中得到了驗證。同時，使用預(yù)算增益法仿真，得到了接收鏈路主要指標的仿真結(jié)果為接收動態(tài)范圍-100～-40 dBm，輸出信號1～2 dBm，噪聲系數(shù)2.7 dB，滿足指標要求。

2.3發(fā)射鏈路的設(shè)計和仿真

發(fā)射鏈路的原理框圖如圖3所示。

圖3　發(fā)射鏈路仿真原理框圖Fig.3 The simulation scheme diagram of transmitting link

發(fā)射鏈路經(jīng)過兩次混頻-濾波-放大后，末端經(jīng)過一個低通濾波器MMIC和一個聲表面波帶通濾波器后輸出，以保證諧波和雜波抑制。

在仿真軟件中，使用預(yù)算增益法，仿真得到發(fā)射鏈路的輸出信號為4.2 dBm，滿足設(shè)計要求；使用諧波平衡法，設(shè)置已經(jīng)測得的本振源的相位噪聲數(shù)值，仿真得到發(fā)射輸出信號的相位噪聲為-82 dBc/Hz @1 kHz、-91.5 dBc/Hz@10 kHz，與射頻本振源的相位噪聲一致，滿足指標要求，后級鏈路沒有使相位噪聲變差。

2.4垂直互連結(jié)構(gòu)設(shè)計

模塊采用上下雙腔結(jié)構(gòu)，每個腔體用一個4層PCB板來集成芯片和元器件，電路板上層為微波，下層為直流和控制。不同腔體之間通過垂直互連結(jié)構(gòu)進行連接，垂直互連結(jié)構(gòu)有多種形式，考慮到成本和可靠性，該模塊采用玻璃絕緣子來實現(xiàn)。垂直互連結(jié)構(gòu)的剖面視圖如圖4（a）所示。4層電路板厚0.7 mm，其中傳輸線層介質(zhì)厚度0.2 mm，介電常數(shù)4.4，損耗角正切0.02，雙腔分割底板厚度1 mm，為了減小尺寸，絕緣子使用高頻絕緣子，直徑1.93 mm，插針直徑0.3 mm，在三維電磁場仿真軟件中建立垂直互連結(jié)構(gòu)的模型，如圖4（b）所示。

圖4　垂直互連結(jié)構(gòu)剖視圖和三維電磁場仿真模型Fig.4 The cutaway view and 3D EM simulation model of vertical interconnection structure

模型中的錐體為仿真絕緣子插針焊接后的焊料。仿真顯示焊料形狀對駐波有一定影響，焊接時保證焊點光滑、焊錫量合適即可。經(jīng)過優(yōu)化，垂直互連結(jié)構(gòu)在S頻段駐波小于1.2，插損小于0.8 dB，滿足使用要求。該結(jié)果在模塊整體測試中得到了驗證。

3　模塊布局

模塊布局上，為了減少信號串擾，滿足諧波抑制、雜波抑制指標，接收通道和發(fā)射通道分開，接收通道使用一個腔體，發(fā)射通道和本振源部分使用一個腔體，同時本振源部分使用屏蔽罩進行隔離。同時，裸芯片的位置盡量與電裝器件離開一定距離，以避免電裝器件返修時污染芯片。

4　測試結(jié)果

模塊的裝配工藝包括電裝、粘接、鍵合、激光封焊和激光打標等，順序上，先電裝完畢后，再進行裸芯片的粘接和鍵合，以保護裸芯片。模塊實物照片如圖5所示。

圖5　模塊實物照片F(xiàn)ig.5 The photo of developed module

模塊的常溫（25℃）測試結(jié)果與技術(shù)要求、仿真結(jié)果的對比如表1所示。

表1　測試結(jié)果與技術(shù)要求、仿真結(jié)果對比Tab.1 Contrast between test results，technicalrequirements and simulation results

從表1可以看出接收輸出信號和發(fā)射輸出信號的測試結(jié)果與仿真結(jié)果稍有差別，這是由于接收通道和發(fā)射通道元器件都比較多，鏈路較長，裝配偏差導致。此外，通過三級限幅放大器的使用和鏈路順序的合理設(shè)計，實現(xiàn)了良好的動態(tài)范圍。

模塊其余測試結(jié)果為接收通道帶外抑制大于等于50 dBc，發(fā)射通道二次、三次諧波抑制大于等于60 dBc，雜波抑制大于等于55 dBc，均滿足技術(shù)要求。

5　結(jié)束語

本文研制的系統(tǒng)級封裝S頻段射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)了一個完整的射頻收發(fā)系統(tǒng)。模塊通過雙腔垂直互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計、多個GaAs MMIC裸芯片的選用以及合理的電路布局，實現(xiàn)了100多個元器件的三維高密度封裝，使模塊的體積和重量縮減到傳統(tǒng)模塊的1/3左右，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備小型化、輕量化的急迫需求。由于聲表面波濾波器體積較大，將來如果采用最新研發(fā)的薄膜體聲波諧振器（Film Bulk A-coustic Resonator，F(xiàn)BAR）濾波器芯片，則可進一步減小模塊體積。

［1］ 楊邦朝，顧勇，馬嵩.系統(tǒng)級封裝（SIP）的優(yōu)勢以及在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用［C］//第十六屆全國混合集成電路學術(shù)會議論文集.杭州∶中國電子學會，2009∶28-30.

YANG Bangchao，GU Yong，MA Song.The advantage and application in RF field of system in package（SIP）［C］// Proceedings of the Sixteenth Nationally Hybrid Integrated Circuit Academic Conference.Hangzhou∶Chinese Institute of Electronics，2009∶28-30.（in Chinese）

［2］ 李振亞，趙鈺.SIP封裝技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.電子與封裝，2009，9（2）∶9-10.

LI Zhenya，ZHAO Yu.The status and future prospects of system in package technology［J］.Electronics&Packaging，2009，9（2）∶9-10.（in Chinese）

［3］ WALTER D R，KRISTOF V.RF SIP technologies enabling wireless modules［C］//Proceedings of 2011 IEEE Antennas and Propagation Conference.Leicester，England∶IEEE，2011∶1-4.

［4］ POZAR M D.Microwave engineering［M］.4th ed.New York∶John Wiley&Sons Ltd.，2012∶505-506，503.

［5］ 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例［M］.北京∶電子工業(yè)出版社，2009.

XU Xingfu.The example of ADS2008 RF circuit design and simulation［M］.Beijing∶Publishing House of Electronics Industry，2009.（in Chinese）

武紅玉（1982—），男，河北邢臺人，2005年于電子科技大學獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事微波、毫米波電路和微系統(tǒng)的設(shè)計；

WU Hongyu was born in Xingtai，Hebei Province，in 1982.He received the B.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2005.He is now an engineer. His research concerns microwave and millimeter wave module and MEMS microsystem design.

Email∶w95972@163.com

厲志強（1984—），男，山東日照人，工程師，主要從事微波、毫米波電路的設(shè)計；

LI Zhiqiang was born in Rizhao，Shandong Province，in 1984.He is now an engineer.His research concerns microwave and millimeter wave circuit design.

汪江濤（1980—），男，湖北潛江人，高級工程師，主要從事微波單片集成電路的設(shè)計。

WANG Jiangtao was born in Qianjiang，Hubei Province，in 1980.He is now a senior engineer.His research concerns microwave MMIC design.

Development of an S-band RF Transceiver Module with System in Package Technology

WU Hongyu，LI Zhiqiang，WANG Jiangtao
（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation（CETC），Shijiazhuang 050051，China）

∶A miniaturized S-band radio frequency（RF）transceiver module is designed by using system in package（SIP）technology.The module integrates devices based on a variety of process.Receiving channel is realized by single-conversion，transmitting channel is realized by double-conversion，and the intermediate frequency（IF）and RF local oscillator（LO）signal source is integrated internally.Double-cavity structure is used and different cavities are vertically interconnected through the insulator to reduce the module size largely.The size of module is 40 mm×40 mm×10 mm.Forward design is used and the measured main technical specifications of the module are∶receiving channel dynamic range-100～-40 dBm，output signal 0～2 dBm，noise figure≤2.8 dB，out-band rejection≥50 dBc；transmitting channel output signal≥2 dBm，second and third harmonic suppression≥60 dBc，clutter rejection≥55 dBc，phase noise≤-82 dBc/Hz@1 kHz，≤-91 dBc/Hz@10 kHz.The measured results are basically agree with the simulation results.

∶S-band；RF transceiver system；system in package；local oscillator signal source；vertical interconnection structure

TN454

A

1001-893X（2016）05-0581-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.018

武紅玉，厲志強，汪江濤.系統(tǒng)級封裝的S頻段射頻收發(fā)模塊研制［J］.電訊技術(shù)，2016，56（5）∶581-584.［WU Hongyu，LI Zhiqiang，WANG Jiangtao.Development of an S-band RF transceiver module with system in package technology［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶581-584.］

2016-02-24；

2016-04-15Received date：2016-02-24；Revised date：2016-04-15

**通信作者：w95972@163.comCorresponding author：w95972@163.com