王 馳，盧伊伶，祝大龍，劉德喜

基于硅基MEMS工藝的X頻段三維集成射頻微系統(tǒng)

王 馳，盧伊伶，祝大龍，劉德喜

（北京遙測技術研究所 北京 100094）

基于硅基MEMS工藝的寬帶射頻收發(fā)微系統(tǒng)在實現(xiàn)武器裝備小型化的過程中具有十分重要的意義。將GaAs多功能芯片、MEMS濾波器等多種工藝制成的射頻器件集成到硅晶圓上，利用TSV及晶圓級鍵合工藝實現(xiàn)一個X頻段的射頻前端。射頻前端包括收發(fā)兩部分功能，利用它可以實現(xiàn)零中頻變頻功能及數(shù)控衰減功能。其三維結構尺寸為25mm×18mm×1mm，僅為分立器件搭建的射頻前端的1/8。測試結果表明，接收部分在通帶內(nèi)增益大于35dB，噪聲系數(shù)小于6dB，1dB壓縮點大于0dBm；發(fā)射部分在通帶內(nèi)增益大于9dB。與分立器件搭建的X頻段射頻前端相比，基于硅基MEMS工藝的射頻前端在輸出信號IQ一致性上有很大程度的提高，且樣品各性能指標符合設計預期，驗證了設計的正確性和可行性。

射頻微系統(tǒng)；MEMS工藝；微型化

引 言

武器裝備電子系統(tǒng)的一體化、高集成化和微小型化是重要的發(fā)展趨勢[1]。在射頻前端中采用微波多層板、LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）、HTCC（High Temperature Co-fired Ceramic）等技術實現(xiàn)的射頻微系統(tǒng)逐漸成為應用主流[2,3]，隨著體硅微加工工藝技術的發(fā)展，采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）新工藝開發(fā)微型化收發(fā)系統(tǒng)成為一種新的選擇[4]。體硅微加工工藝可以將MEMS濾波器與GaAs芯片等器件集成在一個封裝內(nèi)，實現(xiàn)無源MEMS器件和有源器件的一體化集成[5]。

本文基于硅基MEMS工藝設計了一個X頻段三維集成射頻微系統(tǒng)，使其在滿足系統(tǒng)性能的情況下，較分立器件搭建的電路具有更好的IQ輸出性能和更優(yōu)秀的LO-RF隔離特性，且尺寸僅為分立元器件搭建電路的1/8。

1 總體方案

本文射頻電路的原理如圖1所示，整個模塊可以分為收發(fā)兩個部分。接收與發(fā)射支路都采用一次變頻的形式實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換；在信號轉(zhuǎn)換過程中，接收支路通過GaAs放大器、濾波器、衰減器和多功能芯片等器件，將一個寬動態(tài)范圍的小信號放大為一個輸出固定的中頻信號；發(fā)射支路通過濾波器和多功能芯片等器件將一個固定的中頻信號放大輸出為一個增益可控的信號。通過一個匹配式單刀雙擲FET開關實現(xiàn)輸入本振在發(fā)射支路與接收支路的切換，開關切換速度小于10ns。對于整個射頻前端來說，有很多種拓撲結構可以實現(xiàn)上、下變頻，這里使用一次變頻的方案是為了減小設計所占用的尺寸。

圖1 射頻收發(fā)微系統(tǒng)原理

為了進一步減小系統(tǒng)的尺寸和重量，本設計從多功能芯片集成設計和MEMS封裝集成設計兩個層面進行了高集成度設計。

2 多功能芯片集成技術

多功能芯片集成設計指的是將多款不同功能的MMIC裸芯片集成到一塊多功能芯片上，這個集成的芯片中包含GaAs放大器、GaAs數(shù)控衰減器、GaAs混頻器等，將它們集成在一塊GaAs芯片上可以大幅度減小設計尺寸。圖1中共采用了三個多功能芯片，分別用于實現(xiàn)分路放大、零中頻下變頻放大和上變頻放大功能。設計的多功能芯片如圖2所示，其尺寸分別為2.6mm×5.1mm、2.6mm×5.1mm和1.4mm×2.7mm，較之前使用單一MMIC芯片大幅減小。

圖2 多功能芯片實物照片

3 硅基MEMS三維封裝集成技術

在多功能芯片集成的基礎上，本文針對芯片的互連及封裝也進行了高集成度設計。在本設計中硅基MEMS三維封裝集成設計指的是利用TSV技術實現(xiàn)封裝級三維集成，TSV在設計中主要承擔傳輸IQ中頻信號的功能。通過這種封裝級集成設計，可以使模塊尺寸大幅度減小。

本文設計的X頻段收發(fā)模塊結構如圖3所示。射頻鏈路由四層250μm硅片堆疊形成，第一層為底座，第二、三層形成墻體，第四層為蓋板層，芯片層內(nèi)通過金絲鍵合連接，芯片層間通過TSV互連通孔實現(xiàn)信號互連，通過高精度低溫圓片鍵合的方式，在z軸方向上垂直堆疊形成三維立體集成結構。如圖3（a）所示，MEMS濾波器、多功能芯片都在模塊的第二層，它們通過金絲鍵合以及射頻共面波導傳輸線相連接。對于接收鏈路，信號從第二層射頻輸入端進入，從多功能芯片2下變頻后，通過硅通孔進入第四層中頻輸出端口輸出。為了保證IQ信號一致性，這里使用對稱布線的方式走線。對于發(fā)射鏈路來說，IQ信號從第四層中頻輸入端口進入，通過硅通孔進入第二層，經(jīng)多功能芯片3混頻后，從第二層的射頻輸出端口輸出。

由于采用多層晶圓級全自動微組裝技術，將不同材料的器件（如GaAs放大器、硅腔濾波器）精細集成在一個微結構中，整個模塊一次成型，無法添加電阻組成衰減器來調(diào)試產(chǎn)品每個端口的增益，因此需要對設計模塊的每一個有源、無源部分進行仿真驗證，以滿足各級芯片的輸入輸出要求。

圖3 X頻段收發(fā)微系統(tǒng)

4 仿真設計

4.1 關鍵無源電路仿真設計

硅基MEMS三維封裝工藝采用MEMS加工的硅基刻蝕、TSV通孔、晶圓級鍵合等加工工藝進行基板的制作和堆疊，同時可以與半導體加工的薄膜、濺射、電鍍等工藝結合，實現(xiàn)各種無源元件微波毫米波傳輸結構，例如濾波器、電阻、電感、電容和天線等。在本設計中，將MEMS濾波器集成在了硅基板上，集成的交指型濾波器如圖4所示，其S參數(shù)仿真結果如圖5所示。

由仿真結果可以看出，濾波器在7.6GHz~12.4GHz的頻率范圍內(nèi)，滿足插入損耗小于3dB、回波損耗小于20dB、帶內(nèi)波動小于1dB，且在上下阻帶6GHz和14GHz處有大于40dB的帶外抑制效果，符合設計需求。

4.2 有源、無源電路集成一體化協(xié)同仿真設計

對整個有源和無源部分進行聯(lián)合仿真，基本確定設計是否滿足系統(tǒng)的指標要求，初步判斷系統(tǒng)設計的可行性。在本設計中，將HFSS仿真的各個無源器件與有源器件的S2P參數(shù)提取出來，代入ADS進行鏈路仿真，并在此基礎上進行一體化仿真。其中，RF輸入端口到多功能芯片前端以及RF輸入端口到RF檢測前端的增益仿真結果如圖6圖7所示。

圖4 交指型帶通濾波器

圖5 交指型帶通濾波器S參數(shù)仿真結果

圖6 RF輸入端到多功能芯片前端增益仿真結果

圖7 RF輸入端到RF檢測前端增益仿真結果

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在8GHz~12GHz頻帶內(nèi)，輸入–50dBm~–20dBm的信號時RF到多功能芯片前端增益大于33dB，輸出信號在多功能芯片的輸入要求范圍內(nèi)，經(jīng)過變頻之后輸出信號增益大于37dB。由圖7中可以看到，RF輸入端到RF檢測前端增益大于50dB，滿足后級電路的輸入要求，符合設計需求。

5 測試及結果分析

本文設計的芯片級高性能微小型電子系統(tǒng)測試結果如圖8~圖11所示。

圖8 0dB衰減接收支路輸出

圖9 30dB衰減時的接收支路輸出

圖10 接收支路噪聲系數(shù)

圖11 發(fā)射支路增益

圖8是接收信號為–50dBm和–20dBm時的輸出信號I、Q兩路測試結果。圖9是接收信號為–50dBm和–20dBm時多功能芯片增加30dB數(shù)控衰減的輸出信號I、Q兩路測試結果。通過對比圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，接收鏈路增益大于35dB，和前期仿真結果吻合。在接收信號為–20dBm衰減0dB時，多功能芯片中的放大器處于飽和狀態(tài)，使得輸出信號被壓縮，接收1dB壓縮點大于0dBm，滿足指標要求。接收支路輸出信號波動小于7dB，I、Q不一致性小于2dB。圖10顯示噪聲系數(shù)在X頻段內(nèi)小于6dB。圖11顯示發(fā)射支路變頻增益大于9dB，整體設計符合指標要求。

6 結束語

本文設計了一種基于硅基MEMS工藝的X頻段射頻微系統(tǒng)。為了提高設計的集成度，本文從多功能芯片和封裝集成兩個方面出發(fā)進行微型化設計，最終射頻前端尺寸為25mm×18mm×1mm。因為尺寸小，其對于實現(xiàn)整機系統(tǒng)的二次高密度集成有較大技術優(yōu)勢和應用潛力。通過測試發(fā)現(xiàn)，接收支路增益大于35dB，噪聲系數(shù)在X頻段內(nèi)小于6dB，輸出信號波動小于7dB，IQ不一致性小于2dB，發(fā)射支路變頻增益大于9dB。這種一體化設計的產(chǎn)品具有很高的一致性，在實際工程批量化生產(chǎn)中具有重要意義。

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Design of X-band three-dimensional integrated RF transceiver microsystem based on silicon based MEMS technology

WANG Chi, LU Yiling, ZHU Dalong, LIU Dexi

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China）

The broadband RF transceiver microsystem based on silicon based MEMS technology is of great significance in the process of realizing the miniaturization of weapon equipment. In this paper GaAs multi-function chip and MEMS filter are integrated into silicon wafer to realize an X band RF transceiver module which is implemented by TSV and wafer level bonding technology. The size of the three-dimensional structure is 25mm×18mm×1mm. The test results show that the gain of the receiving part in the passband is greater than 35dB, the noise figure is less than 6dB, the compression point of 1dB is greater than 0dBm. and the gain of the transmitting part in the passband is greater than 9dB. Compared with the X band RF front-end built by discrete devices, this design improves IQ consistency of the output signal to a great extent. All the indicators of the sample meet the expectations, which proves the correctness and feasibility of the design.

RF Microsystem; MEMS technology; Miniaturization

TN43；TH703

A

CN11-1780(2019)03-0047-05

王 馳 1993年生，碩士，主要研究方向為微波毫米波電路設計。

盧伊伶 1982年生，高級工程師，主要研究方向為微波毫米波電路設計。

祝大龍 1980年生，研究員，主要從事微波、毫米波太赫茲系統(tǒng)的研究。

劉德喜 1973年生，研究員，主要從事微波、毫米波太赫茲系統(tǒng)的研究。

2018-11-23

2019-05-16

Email:ycyk704@163.com `

TEL:010-68382327 010-68382557