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研究生:李威弦
研究生(外文):Wei-Hsuan Lee
論文名稱:應用系統封裝技術於射頻前端模組之研製
論文名稱(外文):Design and Fabrication of RF Frond-end Module using System-in-Package Technology
指導教授:黃建彰黃建彰引用關係
指導教授(外文):Chien-Chang Huang
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:通訊工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:109
中文關鍵詞:系統封裝技術射頻前端模組
外文關鍵詞:RF Frond-end ModuleSystem-in-Package(SiP)
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應用系統封裝技術於射頻前端模組之研製
學生:李威弦 指導教授:黃建彰 博士
元智大學通訊工程研究所

中文摘要
本論文主要為採用多層電路板技術設計工作在 2.4GHz 頻段之射頻傳收前端模組,電路先以分立式 (Discrete) 功率放大器及射頻開關為主動元件所構成,並搭配上集總 (Lump) 型式之濾波器及邏輯開關控制電路來設計之後,使得整體模組尺寸可縮小至 12.3 mm x 14.6 mm 尺寸實現之。接著再進一步的以系統構裝 (System-in-Package, SiP) 角度將模組中之主動元件如功率放大器及射頻開關改以晶片直接承載 (Direct Chip Attached, DCA) 於印刷電路板基材 (Substrate) 上的方式,並且透過鎊線 (Wire-bonding) 與表面黏著元件做電氣連接,同時也將原先採用集總式之帶通濾波器及低通濾波器改以傳輸線耦合方式設計而成之印刷式微波濾波器。藉以達到相同效能以及成本降低為目標。
Design and Fabrication of RF Frond-end Module using System-in-Package Technology.

Student:Wei-Hsuan Lee Advisor:Dr. Chien-Chang Huang

Institute of Communication Engineering
Yuan Ze University

ABSTRACT

In this thesis the 2.4 GHz RF frond-end modules (RF FEMs) are designed and fabricated using printed circuit board (PCB) technologies for wireless audio/video applications. This first module utilizes the commercial components including a power amplifier (PA) IC and two RF switches with the ceramic band-pass, low-pass filters and some logic control circuitries to verify the designed concept and evaluate the module performance. The total size of the first module is reduced to 12.3 mm x 14.6 mm, and it could be more compact using some system-in-a-package (SiP) techniques. Therefore the next version FEM is assembled by the un-packaged chips of the PA and RF switches on the FR4 substrate through wire bonding with other surface mount components. In addition, the commercial filters are substituted by printed circuit ones such as combline and hairpin filters in the second and third versions. These designs not only reduce the module size but also lower the manufacture costs, and would be very attractive for the wireless communication applications.
目 錄
中文摘要……………………………………………………………………………….I
英文摘要…………………………………………………………………….………..II
誌謝…………………………………………………………………..………………III
目錄………………………………………………..…………………………………IV
圖目錄…………………………………………...……………………………….VII
表目錄…………………………………………...……………………………….Ⅹ

第一章 緒論
1.1 前言…………………………………………………………….………………..1
1.2 研究動機………………………………………………………………………...1
1.3 各章提要……………………………………………………………….………..2

第二章 收發機系統及射頻系統封裝
2-1 發射機與接收機基本功能…………………………….…………….………….3
2-2 發射機…………………………………………………………………..……….4
2-2-1 分時與分頻雙工器………………………...…………………………....4
2-2-2 注入拉移現象………………………...………………………………....5
2-3 超外差接收機……………………..…………………………………………….7
2-3-1 超外差架構……………………………….……………………………..7
2-3-2 鏡像頻率…………………………………………………………….......9
2-3-3 選擇性……………………………………………………………...…..10
2-3-4 半中頻………………………………………………………………….13
2-4 直接降頻接收機……………………………………………………………….13
2-4-1 直流偏移……………………………………………………………….14
2-4-2 顫動雜訊……………………………………………………………….15
2-4-3 偶次階波失真………………………………………………………….15
2-4-4 I/Q信號之不匹配…………….....……………………………………...16
2-5 射頻系統封裝………………………………………………………………….17
2-5-1 PCB基板材料之熱傳特性分析…………...…..……………………….18
2-5-2 系統封裝與系統晶片的差異………………………………………….25
2-5-3 射頻系統封裝技術…………………………………………..……..….26

第三章 射頻前端模組之系統規劃
3-1 系統鏈路計算……………………………………………………………….....35
3-1-1 收發機IC之系統規格簡介…...……………………..………..……….35
3-1-2 系統鏈路計算……………………………………………..…..……….36
3-2 功率放大器模組設計…………………………. ……………………………...38
3-2-1 功率放大器規格……………………………………………………….38
3-2-2 功率放大器模組設計、製作與量測…………………………………..44
3-3 射頻開關模組設計、製作與量測……………………………………….…….55
3-4 微波濾波器設計、製作與量測………………………………………………..59
3-4-1 濾波器規格…………………………………………………………….59
3-4-2 低通濾波器設計……………………………………………………….60
3-4-3 帶通濾波器設計……………………………………………………….66
3-5 邏輯控制開關設計,製作與量測…………………………………………..….72

第四章 射頻前端模組封裝之實現及量測
4-1 模組整合電路之研製………………………………………………………….76
4-2 模組整合電路之電路佈局及量測…………………………………………….87

第五章 結論………………………………………………………………...…..106
參考文獻………….…………………………………………………...………....108

圖目錄
圖2.1 發射機接收頻譜……………………...……………………………….…....3
圖2.2 接收機發射頻譜……………….….…………………………………….….4
圖2.3 分時雙工器和分頻雙工器…..……….……………………………...……..5
圖2.4 直接升頻發射機架構………..…………………………………………......5
圖2.5 注入拉移現象…….……………………………………………….…….….6
圖2.6 功率放大器的訊號溢漏至振盪電路中………………………..…….…….6
圖2.7 利用不同的本地振盪頻率和射頻頻率改善注入拉移現象.……….….….7
圖2.8 超外差發射機架構.…………………………………………………..…….7
圖2.9 中頻經二次降頻至基頻電路架構………………………………………....8
圖2.10 雙中頻超外差接收機架構和每一級電路所展現的頻譜…..………...….9
圖2.11 鏡像頻率問題……..………………………………………………….….10
圖2.12 在混頻器前加入鏡像濾波器用以衰減鏡像頻率……..…………….….10
圖2.13 因通道隔鄰干擾造成中頻附近干擾……………………………...…….11
圖2.14 高低中頻選擇…………………………………………………...……….11
圖2.15 相位雜訊影響接收機的靈敏度與選擇性……………………………....12
圖2.16 半中頻對中頻的影響……………………………………………...…….13
圖2.17 直接轉換接收機架構……………………………………………...…….14
圖2.18 直流偏移問題……………………………………………………...…….15
圖2.19 偶次階波失真效應………………………………………………...…….16
圖2.20 QPSK信號的增益誤差和相位誤差星狀圖..…………………….……….17
圖2.21 多層基板構造…………………..………………………………….…….19
圖2.22 通孔之實際結構………………..………………………………….…….21
圖2.23 散熱通孔之影響(陶瓷基板之應用)…………………………………….21
圖2.24 各種材料之熱膨脹係數………………………………………...……….22
圖2.25 單面金屬PCB構造圖………………………………….……...……….….23
圖2.26 金屬芯基板之基本結構…………………………...…………...…….….26
圖2.27 一般射頻系統封裝平台………………………………………...……….26
圖2.28 以鎊線接合方式之CoB模組…………………………………...…….….29
圖2.29 楔形銲頭………………………………………………………..…….….30
圖2.30 球形銲頭………………………………………………...……...…….….30
圖2.31 楔形接合方式……………………………………...……...………….….30
圖2.32 球形接合方式……………………………………...……...………….….30
圖2.33 砷化鉀之焊球面及其覆晶組裝……………………………………...….31
圖2.34 新高度整合型之系統封裝剖面圖………………………………...…….34
圖3.1 RFW112晶片組之參考線路圖……….……………………………....…….36
圖3.2 射頻前端模組電路方塊圖…………………..…………………………....37
圖3.3 射頻前端模組之鏈路計算...…………..…………………………..……...37
圖3.4 功率放大器之1dB壓縮點……………..………………..……..………….40
圖3.5 接收機前端之非線性效應………………..……………………………....41
圖3.6 功率放大器之三階交互調變與基頻輸出功率關係圖..…………..……..42
圖3.7 兩級串接放大器之IP3…………………………………..…………...…...42
圖3.8 錯誤向量誤差……..………………………………………………..……..43
圖3.9 型號PA2404之2.4GHz波段之功率放大器MMIC電路…………………...45
圖3.10(a) PA2404之小訊號增益圖……….…….………………...…………….46
圖3.10(b) PA2404之輸入功率對增益圖….……...……………...………..…….46
圖3.10(c) PA2404之最大輸出功率圖……….…..…………...…………...…….47
圖3.11(a) PA2404之單調(1-Tone)模擬..……….………………..……………...48
圖3.11(b) PA2404之雙調(2-Tone)模擬………..…….………………...….…….48
圖3.12(a) 當輸入功率為-1dBm CCK訊號時之ACPR值…………….......……….49
圖3.12(b) 當輸入功率為-4dBm OFDM訊號時之ACPR值………...……..........….50
圖3.12(c) 當輸入功率為-4dBm OFDM訊號時之EVM值……...…..........…..…….50
圖3.13 PA2404功率放大器模組電路圖…….………….…...…………….….….51
圖3.14(a) PA2404之電路佈局……………………………………...………..….52
圖3.14(b) PA2404功率放大器模組……..………………..…………………….52
圖3.14(c) PA2404之S參數量測………...………………...…………………….53
圖3.14(d) PA2404之CW訊號量測………….……………..…………………….54
圖3.14(e) PA2404之802.11b訊號量測...………………...…….…..….……….54
圖3.14(f) PA2404之802.11g訊號量測……....………………….………….….55
圖3.14(g) EVM訊號量測………………………….…………………………..….55
圖3.15(a) HWS408電路圖………………………….…………………………….56
圖3.15(b) 單刀雙擲開關之電路佈局及實體圖………………………….…….57
圖3.15(c) 單刀雙擲開關之S參數量測…...……………..………………….….58
圖3.15(d) 當VC1及VC2均為低電位時之插入損耗……………………..…….58
圖3.16 髮夾式步階阻抗諧振器………………………………………………….61
圖3.17(a) 傳輸線及耦合線之等效電路……………………………….……….62
圖3.17(b) 橢圓函數之低通濾波器等效模型………………………………..….62
圖3.18(a) 橢圓函數之低通濾波器電路佈局圖……………….………….…….63
圖3.18(b) 具橢圓函數之低通濾波器模擬結果…….………………………….63
圖3.18(c) 橢圓函數之低通濾波器Co-Simulation電路圖………………..…...64
圖3.18(d) 橢圓函數之低通濾波器Co-Simulation模擬結果………….…......64
圖3.18(e) LPF之電路佈局及實體圖(下方) …………...……...………….…….65
圖3.18(f) LPF之S參數量測………..………………..……...………………...….66
圖3.19(a) 四分之一波長之二階Combline濾波器架構……………………..….67
圖3.19(b) 二階Combline帶通濾波器之等效電路……………...……….…….67
圖3.20(a) Combline帶通濾波器電路模擬………..…..……………...………...68
圖3.20(b) Combline帶通濾波器模擬結果…..…………………………..….….68
圖3.21(a) Combline帶通濾波器電路佈局………..……………………..….….69
圖3.21(b) Combline帶通濾波器模擬結果…..……………………....………….69
圖3.22(a) Combline帶通濾波器Co-Simulation電路模擬…………...…….….70
圖3.22(b) Combline帶通濾波器模擬結果…………………………..……....….70
圖3.22(c) BPF電路佈局及實體圖(上方).………...……………………………..71
圖3.22(d) Combline帶通濾波器S參數量測………..……………………..…….72
圖3.23(a) 邏輯控制開關電路圖及真值表……………………………...……...73
圖3.22(b) 邏輯控制開關電路佈局及實體圖…………………………..……....74
圖3.23(c) 邏輯電路Hi(3.3V)…..……...……..…..……………………………..75
圖3.23(d) 邏輯電路Lo(0V)……..……………..…………………….…………..75
圖4.1(a) 射頻前端模組電路總成……………………………………………....76
圖4.1(b) 射頻前端模組PCB疊構圖….....…………………….…………..…….77
圖4.2(a) 射頻前端模組Co-simulation電路圖…....………….…………...….77
圖4.2(b) 發射機S參數模擬…...……….……………………………………….78
圖4.2(c) 發射機諧波功率模擬………………………………………...……….79
圖4.2(d) 接收機S參數模擬………………………………………..…………….79
圖4.2(e) 接收機輸出功率模擬………………………………………………….80
圖4.2(f) 射頻模組總隔離度模擬……………………………………………….80
圖4.2(g) 兩串接之單刀雙擲開關總隔離度量測……………………………….81
圖4.3(a) 數位調變訊號電路模擬……………………………………………....82
圖4.3(b) 802.11b調變訊號模擬……..……………………..……………..…….82
圖4.3(c) 802.11g調變訊號模擬…..…………………………………………….83
圖4.3(d) EVM模擬………..………………………………..…………………...84
圖4.4(a) 11b輸出功率為17.80dBm(當輸入功率為-1dBm時)….………….….85
圖4.4(b) 11b輸出功率為22.55dBm(當輸入功率為4dBm時)…........…....….85
圖4.5(a) 11g輸出功率為13.57dBm(當輸入功率為-4dBm時)…...………...….86
圖4.5(b) 11g輸出功率為20.15dBm(當輸入功率為3dBm時)…….…..…....….86
圖4.5(c) EVM模擬…..……………………………………………………….….87
圖4.6(a) 射頻前端模組電路佈局……………..…………………………..…….88
圖4.6(b) 模組尺寸比較圖………………………………………………...…….89
圖4.6(c) 射頻前端模組電路總成……………………………………………….89
圖4.6(d) 傳送模式S參數量測………………………………………………..….90
圖4.6(e) 接收模式S參數量測……………………………..…………………….90
圖4.6(f) 衰減模式S參數量測………………………………………..………….91
圖4.7(a) CW訊號量測…..……………………………………………………….92
圖4.7(b) Harmonics量測…..…………..…………………………………..…….92
圖4.7(c) 802.11b調變訊號量測…..………………………………………….….93
圖4.7(d) 802.11g調變訊號量測…..…………………………………….……….94
圖4.7(e) EVM量測…..........……………………………………………….…….94
圖4.8(a) 射頻前端模組電路佈局……………..……………………………..….95
圖4.8(b) 射頻前端模組電路總成……………………………………………….95
圖4.8(c) 傳送模式S參數量測………………………………………………..….96
圖4.8(d) 接收模式S參數量測…....…………………………………………..….96
圖4.9(a) CW訊號量測………………………………………………………..….97
圖4.9(b) Harmonics量測....…..…………………..……………………...…..….98
圖4.9(c) 802.11b調變訊號量測…………………………………………...…….98
圖4.9(d) 802.11g調變訊號量測………………………………………….…..….99
圖4.9(e) EVM量測……………………………………………….…………..….99
圖4.10(a) CoB版本射頻前端模組電路........…………………………...…….100
圖4.10(b) CoB版本電路佈局……………………..………………...………….101
圖4.10(c) CoB版本電路總成……..…………………………………………....101
圖4.11(a) 傳送模式S參數量測…………………………………………..…….102
圖4.11(b) 接收模式S參數量測…………………………………………..…….102
圖4.12(a) CW訊號量測…..…………………………………………………….103
圖4.12(b) Harmonics量測……..……………………………………………….104
圖4.12(c) 802.11b調變訊號量測…..…………………………………….…….104
圖4.12(d) 802.11g調變訊號量測…..………………………………….……….105
圖4.12(e) EVM量測……..…………………………………………………….105

表目錄
表2.1 陶瓷材料之熱傳導性…….……………………………………………......21

表3.1 各電晶體特性比較表………….…………………………………........….44
表5.1 三種版本之射頻前端模組特性比較表…….………………………...….106
參考文獻

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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