基于SiP技术的超小型射频收发系统

陈 赞，方诗峰， 王思超

(上海航天技术研究院804所 微波专业部，上海 201109)

基于SiP技术的超小型射频收发系统

陈 赞，方诗峰， 王思超

(上海航天技术研究院804所 微波专业部，上海 201109)

基于SiP技术的射频收发系统能显著减小传统射频系统的体积，提高系统的稳定性。基于系统级封装的无线射频收发系统可以将具有不同功能的子系统集成起来，在一个封装体内形成较完整的系统，是一种高密度集成封装形式。基于系统级封装的无线射频收发系统具有两个核心特征，一是可以将模拟、微波和数字等不同工艺的芯片集成在一个封装中，各种不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工艺技术来设计制造，从而实现强大的、多种类的系统功能；二是可以将过去系统母板上的分立元件集成在多层封装基底中，使系统小型化。面向系统级封装的无线射频收发系统是未来发展的必然趋势。

SiP；射频；收发系统

0 引言

传统的射频收发系统以板级电路为主，采用分立元器件搭建，这样必然造成体积较大，同时由于线路较长、元器件焊接工艺等因素，造成整个系统稳定性下降。随着各类应用系统对体积、稳定性等要求的不断提高，传统射频收发系统由于其固有特性使其越来越难以满足小型化高稳定性的要求，因此迫切需要采用新技术来改进基于板级的射频系统。SiP技术能很好地解决当前的技术瓶颈，实现射频收发系统的小型化，同时提高系统的稳定性，是未来发展的必然趋势[1]。

图1 发射通道

1 SiP技术

系统级封装(System in Package, SiP)指在一个封装体中集成一个系统。通常，这个系统需要封装多个芯片并能独立完成特定任务。SiP封装具体表现为大规模、多芯片、3D立体化封装，其3D立体化主要表现在芯片堆叠和基板腔体两个方面[2]。

2 传统射频收发系统

传统的射频收发系统以板级电路为主，采用分立元器件搭建系统，其中发射通道用于将中频信号上变频至射频信号，接收通道用于将接收的射频信号下变频至中频信号。

设计前根据系统指标要求完成设计报告，做好频率规划，频率规划要考虑系统对杂散、谐波抑制的要求、滤波器选择的可实现性以及本振信号源实现的简单性。

这里给出的发射通道和接收通道采用的都是典型的两次变频方案，发射和接收通道的具体信号流程图分别如图1和图2所示。

图2 接收通道

然后根据频率规划及方案信号流程图，选用元器件，再绘制原理图及PCB，最终制板、电装以及调试，完成设计任务。

以上就是传统的射频收发系统的设计及实现过程。

3 基于SIP技术的射频收发系统

基于SiP技术的射频收发系统是指采用系统级封装技术来设计射频收发系统，其与传统射频收发系统的设计及实现过程的主要区别在于工艺技术及物理实现过程，而信号原理流程基本相同。

在电子系统向多功能化、小型化与低成本方向发展的进程中，GaAs单片集成电路技术在无线射频收、发功能中发挥了至关重要的作用。但要将GaAs单片集成电路与其他不同功能的芯片集成,实现功能强大的电子系统还面临不少挑战，因为GaAs基芯片工艺兼容性差、灵活性较低，而不同功能的芯片采用不同的工艺，限制了整个系统的进一步集成。基于系统级封装的无线射频收发系统可以将具有不同功能的子系统(包括射频收发芯片与数字芯片等)集成起来，在一个封装体内形成较完整系统的一种高密度集成封装形式,如图3所示。

图3 基于系统级封装的无线射频收发系统

基于系统级封装的无线射频收发系统具有两个核心特征，一是可以将模拟、微波和数字等不同工艺的芯片集成在一个封装中，各种不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工艺技术来设计制造，从而实现强大的、多种类的系统功能；二是可以将过去系统母板上的分立元件集成在多层封装基底中，使系统小型化。因此，研发面向系统级封装的无线射频收发系统是未来发展的必然趋势。

3.1 基于SiP技术射频收发系统的关键技术

采用BCB薄膜工艺的高性能、低功耗小型化射频收发组件实现方案是一种新型的面向系统级封装的射频收发系统方案，该方案能显著减小射频收发系统体积，提高系统的稳定性，该方案关键技术[3]如下。

(1)合理分解技术指标，确立射频收发系统芯片内、芯片间和BCB薄膜工艺封装间多层次体系结构，寻求减少系统复杂度、额外耗费、功耗和片外器件的组成框架和设计方案。

(2)基于系统级封装的射频收发组件核心器件低功耗小型化设计。在设计过程中注重从系统级的角度分解各元器件的性能指标，并利用电磁、热一体化的混合场分析方法，获得对基于系统级封装的射频收发系统元器件结构性能的全面认识和理解；将无源器件的不同新型结构有机地结合(如采用加脊、加隔板、折叠、半模、左手、半模折叠、消逝模等紧缩型结构)，最大限度地提高元器件结构的综合性能，并使之小型化；将场、路分析方法有机地结合，显著地提高系统级封装中新型元器件结构的优化设计效率，快速获得低功耗的实现方法。利用与系统级封装兼容的先进集成工艺，确保高性价比小型化元器件结构的顺利实现。

(3)基于系统级封装的射频收发系统的信号完整性分析与电热一体化协同设计。设计时充分考虑BCB薄膜工艺封装的热特性，建立电、热相关模型，对射频收发系统的信号完整性进行分析。

(4)基于系统级封装的射频收发系统测试。搭建射频收发系统测试平台，提出测试方法，评估测试方案。

3.2 基于SiP技术射频收发系统的技术路线

基于SiP技术的无线射频收发系统的总体技术路线是从构架设计，经指标分解，再到核心器件设计和封装结构设计，最终完成射频收发系统。

3.2.1射频收发系统总体架构设计

为了提高设计系统性能，降低设计复杂度，实现设计指标，须做好系统总体构架设计，可采用以下设计方法：(1)对具有相同同步时钟的收发模块采用同一个射频时钟收发器，以降低系统复杂度、成本和系统功耗；(2)借鉴现代计算机及通信系统中参考时钟的方式，减小所需晶振电路等片外器件的数量；(3)通过结合导波媒质中互连系统的实际要求，适当放宽对射频范围内带通滤波器品质因素的约束，减小滤波器阶数，采用多模谐振器实现带通滤波器；(4)研究更为合理的指标分解模式，使得包括滤波单元、片上低噪声放大器等在内的各芯片模块性能都容易满足性能指标，保证射频组件与其他模块具有一体化的接口和优秀的整体工作性能；(5)深入研究无线射频收发组件本身特点，确立面向系统级封装的片内、片间、封装间多层次的互芯片架设体系。图4所示是收发组件封装结构示意图。

图4 基于系统级封装的射频收发系统

在封装工艺中采用光敏复合薄膜多层(BCB)工艺(如图5所示)，将部分射频芯片(如VCO等)集成在底部，将调制解调芯片、低噪声放大器和功率放大器集成在表面，以最大限度地减小收发系统尺寸。

图5 BCB光敏复合薄膜多层工艺流程图

3.2.2射频收发系统的信号完整性和电磁兼容性

随着集成密度和工作频率不断升高，射频系统级封装中的信号完整性问题成为影响系统性能的关键因素之一。可采用空间映射和模糊-神经网络方法建立相关有源器件的精确模型；利用矢量匹配、维度分析等技术建立无源元件的精确宏模型并保证其无源性和因果性；采用区域分解、广义传输矩阵算法实现射频与无线互连系统的快速高效电磁仿真；综合利用时-频混合方法研究互连系统的传输特性，并采用场-路结合技术分析三维复杂结构的信号完整性/电磁兼容性问题；在互连布线、微波高速电路EDA、电磁-热-力混合物理场仿真软件的基础上融入上述方法，形成基于系统级封装的无线射频收发系统的设计环境。

根据信号完整性分析要求，可将无线射频收发系统分为射频/数模信号完整性和射频通道内部信号完整性两个层面进行处理，如图6所示。

对于射频通道内的信号完整性问题，将综合利用隔离、屏蔽、滤波、差分和保护等方法。振荡器(VCO)可以利用BCB工艺将其埋置于衬底内部，也可以利用接地网络来提高与其他射频器件的隔离度，针对接地平面谐振网络进行建模，充分利用接地平面本身的区域特性，采用结合矩形和三角形的分块划分方法，将解析模型和集总元件模型相结合。这种方法能够在保持计算精度的同时大幅度减小存储空间及仿真时间，并且可以分析任意不规则结构和多层结构。

图6 射频收发系统信号完整性问题的解决方法

对于射频/数模信号完整性问题，首先借助金属过孔阵列抑制封装环境中相邻器件或模块间的高频串扰,对过孔阵列几何参数(埋入深度、高度和周期)和排布方式进行优化以取得最佳的隔离度。利用接地金属栅网和电磁带隙结构抑制射频/数模信号间的耦合噪声。为了阻隔射频/数模芯片间的传导耦合噪声,可在射频/数模芯片间加滤波器。另外，应用单个和多个去耦电容,切断经接地回路引入的传导耦合噪声，通过优化分配去耦电容在结构中的布局(包括位置、电容量和去耦电容个数)来达到最佳效果。

3.2.3射频收发系统中核心器件的低功耗和小型化

针对组件中的无源器件可充分利用系统级封装中多层结构易于实现的优点，将无源器件和部分有源器件集成于BCB薄膜工艺中，例如可以采用电磁带隙、接地缺陷结构，设计滤波器、双工器，并且利用其宽阻带和慢波特性；利用基片集成波导技术设计耦合器、功分器、电桥等结构，利用其高品质因素、高功率容量、低损耗、低互扰等特点，提高元器件结构的物理(电磁、热)性能和可靠性,提高元器件的电性能并减小其几何尺寸。

针对系统中的有源器件，根据其指标分配情况，合理选择或设计GaAs MMIC裸片，主要包括发射支路(压控振荡器、放大器等)和接收支路(低噪声放大器等)。

4 结论

综前所述，基于SiP技术的射频收发系统的设计方法与传统设计方法有很大的不同，传统设计方法主要是基于板级的设计，采用分立元件的解决方案，而基于SiP技术的设计方法主要是从系统的小型化出发，采用先进的工艺和封装技术，先仔细完成总体构架设计，充分考虑到系统的信号完整性和电磁兼容性，还要完成元器件的低功耗和小型化，更多地采用管芯设计。总体上，基于SiP的设计方法复杂度高于传统设计方法，但它能满足系统小型化和高可靠性的要求，具有广阔的应用前景。

[1] 蔡坚，王水弟，贾松良.系统级封装(SiP)集成技术与挑战[J].中国集成电路，2006,15(9):60-63.

[2] 李扬，刘杨.SiP系统级封装设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3] 李浪平，王正义.系统级封装(SiP)技术发展与应用综述[J].混合微电子技术，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

陈赞，方诗峰， 王思超.基于SiP技术的超小型射频收发系统[J].微型机与应用，2017,36(20)：67-70.

2017-03-27)

方涛峰(1987-)，男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：接收机设计与信号处理。