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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林義峰
研究生(外文):Yi-Feng Lin
論文名稱:氧化鋁基板上銅製程應用於被動元件與微波帶通濾波器研製及2.4GHz功率放大器設計
論文名稱(外文):Microwave Circuit of Bandpass Filter and Passive Devices Using Copper Process on Al2O3 Substrate and 2.4GHz Power Amplifier Design
指導教授:邱顯欽
指導教授(外文):Hsien-Chin Chiu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電子工程研究所
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:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:濾波器被動元件功率放大器
外文關鍵詞:Power AmplifierPassive DeviceFilter
相關次數:
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本論文的主題是利用在低成本及高導電性的銅製程之技術來提高品質因數之螺旋型電感及電容的研製。在第二章中,我們利用氧化鋁的高阻值特性,製作出5種不同圈數的高品質因數之螺旋型電感,並且量測出包括了螺旋型電感及電容的等效電路模型參數萃取、最大品質因數與共振頻率。在第三章中,結合螺旋型電感與MIM 電容,設計及製作了電容耦合式帶通濾波器及寬頻帶帶通濾波器。在第四章中,功率放大器的製作是利用穩懋半導體0.5µm InGaP/GaAs pHEMT未封裝之E-Mode晶體元件,設計中心頻率在2.4 GHz,而採用雙面銅箔印刷電路板之ㄧ的25N。
The subject of this thesis is to raise the quality-factor of spiral inductors and capacitors by using low cost and high electric conductivity Copper process technology.
Owing to the adeption of low lossy Al2O3 substrate, the fabricated spiral inductors in different turns can be realized with higher quality-factor and the equivalent model parameters device, maximum quality-factor and resistance frequency are extracted from measured results.
In chapter 3, capacitor-coupling bandpass and wide-band bandpass filter are designed and demonstrated by using self-fabricated passive devices.
In chapter 4, power amplifier was demonstrate by 0.5 μm InGaP/GaAs enhancement-mode pHEMT of WIN Semiconductors Corp. as core of the designed, targeting a center frequency of 2.4 GHz and realized on Printed Circuit board of 25N.
指導教授推薦書…………………………………………………………i
口試委員會審定書………………………………………………………ii
授權書…………………………………………………………………...iii
誌謝………………………………………..………….…………………iv
中文摘要……………………………...........................…………………v
英文摘要…………………………………………………...…...………vi
第一章 序論…........................................................................................1
§1.1 研究動機….................................................................................…..1
§1.2 論文綱要…................................………………….………………..3
第二章 被動元件電感與電容之設計與製作..........................................5
§2.1 簡介...................................................................................................5
§2.2 元件製程的步驟...............................................................................5
§2.3 射頻電感的設計原理.....................................................................11
§2.3.1 電感的種類..............................................................................12
§2.3.2 品質因數的定義......................................................................14
§2.3.3 影響電感品質因數的參數種類..............................................16
§2.4 螺旋形電感之模型建立.................................................................19
§2.4.1 電感高頻參數萃取及等效模型..............................................20
§2.4.2 電感品質因數之換算..............................................................23
§2.4.3 利用電磁模擬軟體模擬電感的特性......................................28
§2.5金與銅製程之螺旋型電感特性比較…..........................................29
§2.6 MIM 電容之設計與模型建立........................................................33
§2.6.1 簡介..........................................................................................33
§2.6.2 指叉電容與 MIM 電容..........................................................34
§2.6.3 電容之等效模型之參數萃取..................................................34
§2.7 結語.................................................................................................38
第三章 帶通濾波器設計與製作............................................................39
§3.1 簡介.................................................................................................39
§3.2 集總式濾波器設計原理.................................................................40
§3.2.1 濾波器介紹..............................................................................40
§3.2.2 低通與帯通濾波器設計方法..................................................41
§3.3 分散式帶通濾波器設計原理.........................................................47
§3.3.1 傳輸線共振器..........................................................................47
§3.3.2 低通濾波器原型與阻抗與導納反轉器................................50
§3.4 5.2GHz共平面波導電容耦合式帶通濾波器設計與製作............57
§3.4.1 5.2GHz共平面波導電容耦合式帶通濾波器模擬與量測….57
§3.5 Ka頻段共平面波導帶通濾波器設計與製作................................62
§3.5.1 ka頻段帶通濾波器製作...........................................................62
§3.5.2 ka頻段帶通濾波器模擬與量測...............................................63
§3.6 結語.................................................................................................66
第四章 2.4GHz功率放大器之設計與製作 ........................................68
§4.1 簡介……………………………………………………………….68
§4.2放大器電路之原理設計 …………………………………….…...69
§4.2.1 偏壓點選擇………………………………...………………...69
§4.2.2 穩定性的考量……………………………...…………..…….70
§4.2.3 輸入與輸出匹配網路…………...………………………..….72
§4.3印刷電路基板特性之比較…………………………………….….73
§4.3.1 介電正切tanδ對電路損耗之影響 ………………………...74
§4.4 2.4 GHz 功率放大器之電路設計……………………………......74
§4.4.1 微波放大器設計流程………………………………………..76
§4.4.2 直流偏壓網路…………………………..................................78
§4.5 放大器之量測結果…………….……............................................79
§4.5.1 小訊號S參數量測...................................................................79
§4.5.2 大訊號量測..............................................................................81
§4.6 結語.................................................................................................83
第五章 結論............................................................................................84
參考文獻……………………………………………………….………86
圖目錄
圖1.1 在氧化鋁基板上的MIC 電路………………………………..3
圖2.1 螺旋型電感完成品…………………………………………….8
圖2.2 MIM電容的完成品……………………………………………9
圖2.3 螺旋型電感之SEM……………………………………………9
圖2.4 螺旋型電感之剖面圗………………………………………...10
圖2.5 為HP-Momentum模擬2.5圈螺旋型電感的佈局圖………..10
圖2.6 射頻前端電路………………………………………………...11
圖2.7 主動式電感………………………...........................................12
圖2.8 打線式電感……………...........................................................13
圖2.9 實際具寄生電阻的電感...........................................................15
圖2.10 扣除訊號基準線pad效應的方法............................................20
圖2.11 電感的等效電路模型...............................................................21
圖2.12 1.5圈至5.5圈螺旋型電感之感值比較圖..............................24
圖2.13 電感、寄生電阻與Q 值對頻率的關係圖...............................25
圖2.14 (a)電感感值對圈數的關係圖(b)寄生電阻和圈數的關係圖..25
圖2.15 共振頻和電感圈數的關係圖...................................................27
圖2.16 Qmax 和電感圈數的關係圖…………………….……………27
圖2.17 為電感的量測結果Momentum 電磁模擬結果的比較.........29
圖2.18 不同金屬之電感感值對圈數的關係圖...................................30
圖2.19 不同金屬之共振頻和電感圈數的關係圖..............................30
圖2.20 不同金屬之寄生電阻和圈數的關係圗..................................31
圗2.21 3.5圈不同金屬之品質因數比較............................................32
圖2.22 電容示意圖..............................................................................34
圖2.23 電容的等效模型......................................................................35
圗2.24 為電容邊長與CS之關係圖....................................................37
圖2.25 為電容邊長與RS之關係圗....................................................37
圖3.1 濾波器之頻率響應特性..........................................................41
圖3.2 濾波電路重要規格..................................................................42
圖3.3 最大平坦型濾波器截止帶衰減量與濾波器階數關係圖......43
圖3.4 n 階低通濾波器電路雛形......................................................44
圖3.5 元件值頻率軸上的轉換關係圖..............................................45
圖3.6 低通濾波器轉換成帶通濾波器的電路對應關係..................47
圖3.7 傳輸線等效LC共振電路(a)二分之一波長串聯共振(b)二分
之一波長並聯共振(c)四分之一波長串聯共振(d)四分之一波
長並聯共振..............................................................................48
圖3.8 (a)低通原型濾波器(b)低通原型轉為帶通濾波器..............50
圖3.9 阻抗與導納轉換器運作方式..................................................51
圖 3.10 (a)使用J轉換器將串聯阻抗轉變為並聯導納 (b)用K轉換器將並聯導納轉變為串聯阻抗.................................................53
圖3.11 轉換器之lump元件等效.......................................................54
圖3.12 (a)柴比雪夫二階低通原型(b)由低通原型轉換帶通原型濾波
器(c)加入導納轉換器使各諧振腔一致.................................55
圖3.13 並聯±C01e之帶通濾波器........................................................55
圖3.14 轉換器與負載等效處理後之帶通濾波器………………….56
圖 3.15 (a)將J12以電容耦合架構取代(b)電容耦合型帶通濾波器..56
圖3.16 5.2GHz共平面波導電容耦合式帶通濾波器電路圗…...…58
圖3.17 5.2GHz共平面波導電容耦合式帶通濾波器電路佈局圗...59
圖3.18 切入損耗與反射損耗模擬量測結果…………………….....60
圖3.19 是共平面波導帶通濾波器成品圖………………………….61
圖3.20 Ka頻段帶通濾波器等效電路圖……………………….......64
圖3.21 Ka頻段帶通濾波器電路佈局圗…………………………...64
圖3.22 切入損耗與反射損耗模擬量測結果…………………….…65
圖3.23 是共平面波導帶通濾波器成品圖………………………….66
圗4.1 不同類型放大器電晶體偏壓點的選擇…………………….69
圗 4.2 元件直流Ids-Vds特性…………………..………………….71
圖 4.3 元件直流Ids-Vgs與Vgs-gm特性………………..………........71
圖4.4 微波放大器反射係數與阻抗示意圖 …………………....73
圖 4.5 (a)25N板及(b)FR-4板特性比較圖………………………...76
圖4.6 單級功率放大器設計流程…………….................................78
圖4.7 功率級放大器電路架構….....................................................79
圖4.8 S21 量測和模擬比較圗..........................................................81
圖4.9 S11 & S22 量測和模擬比較圖..........................................81
圗 4.10 功率放大器輸出功率與增益之量測和模擬比較圗圗.........82
圗 4.11 功率附加效率與輸入功率之量測和模擬比較圗圗.............83
圖 4.12 E- pHEMT功率放大器的實體照片圖..................................83













表目錄
表2.1 螺旋型電感的等效電路模型參數………………………….23
表2.2 不同金屬之螺旋型電感的等效電路模型參數比較……….32
表2.3 不同金屬之螺旋型電感Qmax比較圖…………………...….33
表2.4 MIM電容模型參數…………………………………….…....36
表3.1 最大平坦型低通濾波器元件值對照表………………….…44
表3.2 為5.2GHz電容耦合式帶通波器的模擬與量測結果….…..61
表3.3 為帶通波器的模擬與量測結果…………………………….66
表4.1 25N及FR-4板電氣特性比較表………………………...…74
表4.2 每一個電容與電感值…………………………………...…79
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