第0章
緒論

1. 集成化技術概述

隨著智能移動終端的更新升級，其內部射頻毫米波模組變得日益復雜。為了同時保證移動終端的便攜性與續航時間，在保證多樣化模擬功能的前提下，留給射頻器件與芯片的設計空間越來越有限。因此，射頻器件與芯片的小型化高性能研究對于未來無線通信的發展具有十分重要的意義。

目前，包括表面貼裝器件（Surface Mounted Devices，SMD）、低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）、薄膜集成無源器件（Thin Film Integrated Passive Devices，TFIPD）在內的多種集成化技術都已被廣泛用于射頻芯片的設計與制造。其中：SMD技術的生產成本低、制造難度小，但工藝精度有限，且實現的電路尺寸相對較大；LTCC技術屬于厚膜加工工藝，由于采用多層結構，給基板帶來了翹曲與裂紋的風險；CMOS技術主要用于有源芯片的實現；而TFIPD技術是一種構造無源微波毫米波芯片的專門化半導體加工工藝，在砷化鎵（GaAs）、高阻硅等薄膜襯底材料上采用沉積的方式生長金屬層，可以實現微米級工藝精度，能夠為芯片內部版圖設計提供精細的間距特性和良好的容差控制，且與其他常用技術相比，TFIPD技術在提升性能指標，提高設計靈活性、集成度、兼容性方面也有較大的優勢。因此，本書重點關注采用TFIPD技術的微波毫米波芯片設計。

2. 微波毫米波芯片概述

微波毫米波器件與芯片是射頻電路與模組中的核心組成部分，具有不可撼動的地位。其中，微波毫米波有源芯片得到廣泛關注；而在多頻多模智能移動終端中，微波毫米波無源芯片占據空間比較大，其超小型化高性能基礎研究顯得尤為重要。目前，常用的微波毫米波無源芯片主要包括濾波器、耦合器、移相器、雙（多）工器、功率分配器、巴倫等，它對一路或多路輸入射頻信號完成特定功能后，再以一路或多路射頻信號的形式進行輸出。例如，濾波器是將輸入射頻信號中不需要的特定頻率信號衰減掉，而實現所需要頻率信號的低損耗傳輸，完成特定頻譜選擇功能的；移相器是對輸入射頻信號進行相位調整，輸出指定相位差的射頻信號，完成特定頻譜相位控制功能的；雙（多）工器是將不同頻率的射頻信號分配到不同分路的，可實現信號的分配或合路，完成不同頻率信號雙（多）工功能；功率分配器是將一路輸入射頻信號以相等或不相等的方式分成兩路或多路進行輸出的，也可將其反過來作為合路器使用，將兩路或者多路射頻信號合成一路，完成信號幅度的調整功能；巴倫是在平衡電路和不平衡電路之間完成信號類型轉換功能的[1-3]。

本書以基于TFIPD技術的平衡濾波器、微帶濾波器、吸收型濾波器、功率分配器和巴倫5種代表性微波毫米波無源芯片為例，闡述其從理論、設計、仿真、優化到流片測試的完整過程。本書用到的仿真軟件為ADS（Advanced Design System），詳細展示了如何使用ADS仿真軟件建立、仿真并優化微波毫米波無源芯片的理想參數仿真模型和相應的全波電磁仿真模型，以達到預期的設計性能指標，最后對完成流片的芯片進行實測并給出測試結果，以驗證設計理論和仿真結果。此外，本書還介紹了使用Origin軟件完成數據繪圖的方法，其過程簡單易學，繪制的圖形簡潔美觀，可大大提高科研人員或工程師撰寫優秀學術論文和專業項目總結的水平。

3. 軟件簡介

【ADS簡介】ADS軟件是安捷倫（Agilent）公司早期推出的電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件，它可以完成器件級、電路級甚至系統級的時域和頻域仿真、數/模混合仿真、線性和非線性仿真等。該軟件基于矩量法（Method of Moment，MoM）對第三維度進行簡化的2.5D電磁場仿真器Momentum，非常適合多層PCB、無源器件和毫米波集成電路等在第三維度上均勻變化的結構仿真，仿真速度很快，還能保證較高的仿真精度。另外，軟件中基于有限元算法（Finite Element Method，FEM）的3D電磁場仿真器FEM，也可以仿真天線等在第三維度上非均勻延展的結構。目前，ADS軟件因其強大的仿真功能，成為學術界和工業界備受歡迎、應用極為廣泛的射頻EDA軟件。

本書詳細介紹了如何使用ADS軟件仿真、優化以平衡濾波器、微帶濾波器、吸收型濾波器、功率分配器和巴倫為代表的微波毫米波芯片的理想參數仿真模型和相應的全波電磁仿真模型，并演示如何查看這些微波毫米波無源芯片的S參數幅度和相位等信息，此外還展示了使用ADS的LineCalc工具計算分布參數電路實際物理尺寸的方法和步驟。本書使用的ADS軟件版本為ADS 2020。若需了解更多關于ADS軟件的詳細信息，請參閱參考文獻[4-7]。

【Origin簡介】Origin軟件是由美國OriginLab公司研發的一個科學函數繪圖軟件，其十分簡潔的操作界面使得科研人員或工程師可以可視化地進行二維、三維或多圖層等圖形的繪制。該軟件支持多種格式的數據導入，包括ASCII、Excel、NI TDM等，同時圖形輸出格式也多種多樣（如JPEG、GIF、EPS、TIFF等）。本書在第5章以巴倫的仿真和測試結果為例，介紹了Origin軟件從導入數據、處理數據、繪圖美化到圖形輸出的詳細繪圖步驟，所使用的Origin軟件版本為Origin 2019b。關于Origin更多詳細的信息請參考文獻[8，9]。

4. 本書安排

本書的特色是實現了基于TFIPD技術的微波毫米波芯片從設計理論分析到使用ADS軟件進行仿真、優化再到流片測試的全過程，并具體以平衡帶通濾波器、毫米波微帶帶通濾波器、輸入吸收型帶阻濾波器、阻抗變換功率分配器、帶通濾波Marchand巴倫為例，詳細展示了5個頗具代表性的無源芯片的完整設計實現流程。本書介紹的案例均來源于作者課題組發表的學術論文和申請的發明專利，所有案例的其他細節可參考相應的學術論文與發明專利全文。

本書作為一本理論基礎與工程實踐緊密結合的參考書，不僅提供了原始創新想法，具有較高水平學術價值，而且注重工程實現和實際應用，具備重要實踐指導意義。希望讀者通過對本書的認真學習和細心模仿，理解并掌握微波毫米波濾波器、功率分配器和巴倫等無源芯片的基本概念、性能指標和理論設計過程，熟悉微波毫米波芯片從設計、仿真、優化到流片測試的完整過程，為以后深入研究、設計創新和獨立完成芯片領域工程項目奠定堅實基礎；也盼望通過本書的引導，能夠消除讀者對微波毫米波芯片領域的畏懼，使讀者產生興趣，有志向在該領域取得新成果，從而推動射頻芯片行業的蓬勃發展。