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1、华中科技大学 硕士学位论文 LTCC手机前端模块GSM频段部分设计 姓名：朱颖 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：吴国安 20070601 I 摘摘 要要 近年来，无线通信系统的研究得到了迅猛的发展，和我们日常生活息息相关的手 机当然也是发展和研究的热点之一。手机小型化、高性能的要求使射频部分的各种集 成技术不断出现，其中主要的一种无源集成技术低温共烧陶瓷（LTCC）技术的 不断成熟，也使射频部分的集成成为可能。 LTCC 技术利用多层电路设计的优势，在射频集成上越来越受到青睐。LTCC 产 品的应用领域中，手机的用量占据主要部分，约达 80%以上，而其在手机中应用主要
2、 是 LC 滤波器、双工器、前端模块等。 本文讨论的就是应用于三频 GSM 手机的 LTCC 手机前端模块。在明确了基本的 设计基础的前提下，按照 LTCC 模块设计的流程进行 FEM 的 GSM900MHz 频段的设 计。首先在给定指标的要求下进行电路原理设计，过程中涉及到该频段发射模式和接 收模式两个部分。以此为根据，充分利用 LTCC 三维空间设计的优势，在整个确定的 体积内进行三维布局，再选择基板的材料，烧成厚度，层厚，线宽，每层的布局等等， 进行微调以改善各种无法预料的寄生和耦合效应， 考虑与 DCS1800MHz/PCS1900MHz 高频部分的匹配和隔离问题，完成该频段的三维设计
3、工作，最终整个模块确定体积为 6.5mm5mm0.62mm。 在本论文设计的三频前端模块之前，已经完成了一个双频手机前端模块的预设计 工作， 包括最后的流片测试工作， 所以最后采用该批样片的测试结果给出相应的结论。 关键词：关键词：低温共烧陶瓷 前端模块 GSM900MHz 多层结构 II Abstract With the rapid development of wireless communication system, the handsets in our daily use become one of the hotspots for researching and develop
4、ing. More and more integration technology advanced driven by the demand for small-size and high performance, so was the Low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology. Taking advantage of multilayer circuit design, LTCC technology is increasingly catching more and more eyes in the field of RF in
5、tegration. The handsets occupy the main part of the LTCC product application areas, approximately 80 percents or more. And the LC filters, the diplexers, front-end modules (FEM) are its main application. This paper presents the design of the LTCC Tri-band front-end modules. On the premise that we ha
6、ve cleared the basic design theory, we work on the design of the GSM900MHz band in accordance with the design process of LTCC module. First make the circuit design that meet the demand suggested, the process includes transmitting mode and receiving mode. On this basis, fully utilizing LTCC 3D design
7、 advantages, think out the 3D layout in all the determined cubage, then make the choice of substrate material, firing thickness, layer thickness, width, the layout of each layer before fine-tune to improve the various unpredictable parasitic and coupling effects. Besides, the match and segregation p
8、roblems with the DCS1800MHz/PCS1900MHz should be considered. Then the 3D design work in this frequency band is accomplished, the final modules volume is 6.5mm5mm0.62mm. Before the design of this Tri-band front-end module, we have completed a design of a dual-band module, including the testing work.
9、In the end, a corresponding conclusion is given out using these samples results. Keywords: low temperature co-fired ceramic front-end module GSM900MHz multilayer structure 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本
10、人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论绪论 随着信息技术的发展和进
11、步，人们对移动信息的需求急剧上升，人们希望无论何 时、何地都可以上网、收发电子信件、进行电子商务、传真和其他的数据交换，从而 获得更加灵活的生活方式。 无线通信可以满足这个要求， 因此它具有极大的发展空间。 作为信息产业支柱之一的移动通信，在 20 世纪 90 年代得以飞速发展。 移动通信设备小尺寸和轻便化的要求越来越高，虽然传统的 IC 集成技术可以将 很多分离元件集成到芯片内部，但是还是有很多其他元件，比如射频天线，一些特定 的匹配元件都无法实现集成， 尤其在射频部分， 这种问题就更加严重。 在手机产品中， 我们发现无源器件占了射频器件数目的大约 40%，因此手机设计和元器件生产研发公 司
12、对微波射频前端模块的小型化技术的重点也就放在了无源元件的集成上面。集成技 术以及器件性能的要求加速了系统集成（SOC）以及系统封装（SOP）的发展12。目 前，业界采用的无源元件集成主流技术有硅基薄膜技术和低温共烧陶瓷 （Low-Temperature Co-fired Ceramics：LTCC）技术。迄今为止，硅基薄膜技术大 多数产品仍然集中在基带应用上，而不是射频电路，因为将高 Q 值的电感集成到薄膜 产品中还存在技术问题。后起之秀 LTCC 因其优异的高频性能而备受亲睐，成为实现 无源集成的一项关键性技术。本论文所讨论的三频段的手机前端模块的设计就是基于 LTCC 技术来完成的。 1.
13、1 前端模块研究的意义和目的前端模块研究的意义和目的 移动通信采用电磁波作为信号的传输载体进行无线通信，因此，其射频电路在移 动通信终端上居于重要的位置，射频性能的好坏直接关系到信号的收、发能力和终端 与基站通信能力的高低。另外，通信设备的小型化，低功耗要求进一步深化，使得传 统的半导体 IC 不能集成射频部分的不足越来越凸显，因此人们习惯将射频部分电路 来单独进行考虑。 在当今移动终端主流射频电路中，主要包含了三个部分，即射频前端电路、收发 信机和频率源电路。而射频前端电路又包含了三个部分的电路：射频功放、天线开关 2 或双工器、前端（镜频）滤波器。由于射频功放和前端滤波器收发隔离和工艺实现
14、问 题， 两者集成到单一芯片中还存在一定的问题。 因此就出现了在低温共烧陶瓷 （LTCC） 基片上嵌入接收前端滤波器，构成了现在比较流行的一种射频前端模块（FEM） 。 射频前端电路通常需要首先集成在一块基板上，形成一个模块，以此来保证射频 电路的完整性以及与其它电路的隔离。而手机的前端模块（FEM）中,集成了很多的无 源元件，组成天线开关模块（ASM, antenna switch module）和接收端的 RF 声表面 滤波器（SAW）。目前的一半以上的 GSM 手机中采用的都是 LTCC 技术集成的 FEM。 1.2 LTCC 技术简介技术简介 模块的小型化必须要从元器件的小型化和集成度
15、的提高上面来着手。近年来元器 件的小型化技术方面也有长足的进步，目前较小的元件尺寸有 0.5mm0.25mm。但是 使用这些片式元件并将它们外贴在电路基板表面，对于提高系统电路中的元件组装密 度仍受到一定的限制。另一方面如果从集成度考虑，我们以无源元件为例，从开始的 独立式电阻器、电容器元件，转变成排列及网路型的电阻器与电容器，再到近年低温 共烧陶瓷（LTCC）技术的产生，把无源元件集成到基板中的想法加以实现，不仅有利 于系统的小型化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统可靠性。目前手机，蓝牙 的射频电路均利用 LTCC 进行整合成模块，以提升元件的整合性。 LTCC(Low Temperat
16、ure Co-fired Ceramics)技术是 MCM （多芯片组件， Multi-chip Module）技术中的一种。它以陶瓷作为电路基板材料，内外电极分别使用银、铜、金 等金属，每一层基板均为 LTCC 生胚，在每一层生胚印上导电金属层，由通孔(Via)连 接每一层的内埋式的无源元件，其中许多内埋型式的无源元件是利用平行印刷涂布的 方式于基板上，在摄氏约 900 多度的烧结炉中进行共烧，至于无法内埋的元件、IC、 LSI 裸芯片等则表贴在基板表面。由于 LTCC 整合电阻、电容和电感，以满足高频用不 同功能组合的基板需求，且以陶瓷介电材料为基板的产品具有良好的高频特性，因此 广泛用于无线通讯领域。图 1.1 显示了一个 LTCC 模块的剖面图，包括了表贴的元件 和芯片，以及内埋的各个元件。 3 图 1.1 LTCC 模块剖面图 LTCC
