基于硅基MEMS工艺的X频段三维集成射频微系统

王 驰，卢伊伶，祝大龙，刘德喜

基于硅基MEMS工艺的X频段三维集成射频微系统

王 驰，卢伊伶，祝大龙，刘德喜

（北京遥测技术研究所 北京 100094）

基于硅基MEMS工艺的宽带射频收发微系统在实现武器装备小型化的过程中具有十分重要的意义。将GaAs多功能芯片、MEMS滤波器等多种工艺制成的射频器件集成到硅晶圆上，利用TSV及晶圆级键合工艺实现一个X频段的射频前端。射频前端包括收发两部分功能，利用它可以实现零中频变频功能及数控衰减功能。其三维结构尺寸为25mm×18mm×1mm，仅为分立器件搭建的射频前端的1/8。测试结果表明，接收部分在通带内增益大于35dB，噪声系数小于6dB，1dB压缩点大于0dBm；发射部分在通带内增益大于9dB。与分立器件搭建的X频段射频前端相比，基于硅基MEMS工艺的射频前端在输出信号IQ一致性上有很大程度的提高，且样品各性能指标符合设计预期，验证了设计的正确性和可行性。

射频微系统；MEMS工艺；微型化

引 言

武器装备电子系统的一体化、高集成化和微小型化是重要的发展趋势[1]。在射频前端中采用微波多层板、LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）、HTCC（High Temperature Co-fired Ceramic）等技术实现的射频微系统逐渐成为应用主流[2,3]，随着体硅微加工工艺技术的发展，采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）新工艺开发微型化收发系统成为一种新的选择[4]。体硅微加工工艺可以将MEMS滤波器与GaAs芯片等器件集成在一个封装内，实现无源MEMS器件和有源器件的一体化集成[5]。

本文基于硅基MEMS工艺设计了一个X频段三维集成射频微系统，使其在满足系统性能的情况下，较分立器件搭建的电路具有更好的IQ输出性能和更优秀的LO-RF隔离特性，且尺寸仅为分立元器件搭建电路的1/8。

1 总体方案

本文射频电路的原理如图1所示，整个模块可以分为收发两个部分。接收与发射支路都采用一次变频的形式实现信号的转换；在信号转换过程中，接收支路通过GaAs放大器、滤波器、衰减器和多功能芯片等器件，将一个宽动态范围的小信号放大为一个输出固定的中频信号；发射支路通过滤波器和多功能芯片等器件将一个固定的中频信号放大输出为一个增益可控的信号。通过一个匹配式单刀双掷FET开关实现输入本振在发射支路与接收支路的切换，开关切换速度小于10ns。对于整个射频前端来说，有很多种拓扑结构可以实现上、下变频，这里使用一次变频的方案是为了减小设计所占用的尺寸。

图1 射频收发微系统原理

为了进一步减小系统的尺寸和重量，本设计从多功能芯片集成设计和MEMS封装集成设计两个层面进行了高集成度设计。

2 多功能芯片集成技术

多功能芯片集成设计指的是将多款不同功能的MMIC裸芯片集成到一块多功能芯片上，这个集成的芯片中包含GaAs放大器、GaAs数控衰减器、GaAs混频器等，将它们集成在一块GaAs芯片上可以大幅度减小设计尺寸。图1中共采用了三个多功能芯片，分别用于实现分路放大、零中频下变频放大和上变频放大功能。设计的多功能芯片如图2所示，其尺寸分别为2.6mm×5.1mm、2.6mm×5.1mm和1.4mm×2.7mm，较之前使用单一MMIC芯片大幅减小。

图2 多功能芯片实物照片

3 硅基MEMS三维封装集成技术

在多功能芯片集成的基础上，本文针对芯片的互连及封装也进行了高集成度设计。在本设计中硅基MEMS三维封装集成设计指的是利用TSV技术实现封装级三维集成，TSV在设计中主要承担传输IQ中频信号的功能。通过这种封装级集成设计，可以使模块尺寸大幅度减小。

本文设计的X频段收发模块结构如图3所示。射频链路由四层250μm硅片堆叠形成，第一层为底座，第二、三层形成墙体，第四层为盖板层，芯片层内通过金丝键合连接，芯片层间通过TSV互连通孔实现信号互连，通过高精度低温圆片键合的方式，在z轴方向上垂直堆叠形成三维立体集成结构。如图3（a）所示，MEMS滤波器、多功能芯片都在模块的第二层，它们通过金丝键合以及射频共面波导传输线相连接。对于接收链路，信号从第二层射频输入端进入，从多功能芯片2下变频后，通过硅通孔进入第四层中频输出端口输出。为了保证IQ信号一致性，这里使用对称布线的方式走线。对于发射链路来说，IQ信号从第四层中频输入端口进入，通过硅通孔进入第二层，经多功能芯片3混频后，从第二层的射频输出端口输出。

由于采用多层晶圆级全自动微组装技术，将不同材料的器件（如GaAs放大器、硅腔滤波器）精细集成在一个微结构中，整个模块一次成型，无法添加电阻组成衰减器来调试产品每个端口的增益，因此需要对设计模块的每一个有源、无源部分进行仿真验证，以满足各级芯片的输入输出要求。

图3 X频段收发微系统

4 仿真设计

4.1 关键无源电路仿真设计

硅基MEMS三维封装工艺采用MEMS加工的硅基刻蚀、TSV通孔、晶圆级键合等加工工艺进行基板的制作和堆叠，同时可以与半导体加工的薄膜、溅射、电镀等工艺结合，实现各种无源元件微波毫米波传输结构，例如滤波器、电阻、电感、电容和天线等。在本设计中，将MEMS滤波器集成在了硅基板上，集成的交指型滤波器如图4所示，其S参数仿真结果如图5所示。

由仿真结果可以看出，滤波器在7.6GHz~12.4GHz的频率范围内，满足插入损耗小于3dB、回波损耗小于20dB、带内波动小于1dB，且在上下阻带6GHz和14GHz处有大于40dB的带外抑制效果，符合设计需求。

4.2 有源、无源电路集成一体化协同仿真设计

对整个有源和无源部分进行联合仿真，基本确定设计是否满足系统的指标要求，初步判断系统设计的可行性。在本设计中，将HFSS仿真的各个无源器件与有源器件的S2P参数提取出来，代入ADS进行链路仿真，并在此基础上进行一体化仿真。其中，RF输入端口到多功能芯片前端以及RF输入端口到RF检测前端的增益仿真结果如图6图7所示。

图4 交指型带通滤波器

图5 交指型带通滤波器S参数仿真结果

图6 RF输入端到多功能芯片前端增益仿真结果

图7 RF输入端到RF检测前端增益仿真结果

由图6可以发现，在8GHz~12GHz频带内，输入–50dBm~–20dBm的信号时RF到多功能芯片前端增益大于33dB，输出信号在多功能芯片的输入要求范围内，经过变频之后输出信号增益大于37dB。由图7中可以看到，RF输入端到RF检测前端增益大于50dB，满足后级电路的输入要求，符合设计需求。

5 测试及结果分析

本文设计的芯片级高性能微小型电子系统测试结果如图8~图11所示。

图8 0dB衰减接收支路输出

图9 30dB衰减时的接收支路输出

图10 接收支路噪声系数

图11 发射支路增益

图8是接收信号为–50dBm和–20dBm时的输出信号I、Q两路测试结果。图9是接收信号为–50dBm和–20dBm时多功能芯片增加30dB数控衰减的输出信号I、Q两路测试结果。通过对比图8和图9可以发现，接收链路增益大于35dB，和前期仿真结果吻合。在接收信号为–20dBm衰减0dB时，多功能芯片中的放大器处于饱和状态，使得输出信号被压缩，接收1dB压缩点大于0dBm，满足指标要求。接收支路输出信号波动小于7dB，I、Q不一致性小于2dB。图10显示噪声系数在X频段内小于6dB。图11显示发射支路变频增益大于9dB，整体设计符合指标要求。

6 结束语

本文设计了一种基于硅基MEMS工艺的X频段射频微系统。为了提高设计的集成度，本文从多功能芯片和封装集成两个方面出发进行微型化设计，最终射频前端尺寸为25mm×18mm×1mm。因为尺寸小，其对于实现整机系统的二次高密度集成有较大技术优势和应用潜力。通过测试发现，接收支路增益大于35dB，噪声系数在X频段内小于6dB，输出信号波动小于7dB，IQ不一致性小于2dB，发射支路变频增益大于9dB。这种一体化设计的产品具有很高的一致性，在实际工程批量化生产中具有重要意义。

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[2] 柳现发, 王绍东, 吴洪江, 等. 一种高集成LTCC射频前端电路[J]. 微纳电子技术, 2008, 45(9): 547–556. LIU Xianfa, WANG Shaodong, WU Hongjiang, et al. Highly integrated LTCC RF front-end circuit[J]. Micronanoelectronic Technology, 2008, 45(9): 547–556.

[3] 卢胜军, 林逸群, 范童修, 等. 微系统技术及其在电子战接收机中的应用[J]. 微波学报, 2016, 8: 548–552. LU Shengjun, LIN Yiqun, FAN Tongxiu, et al. Micro system technology and its application in EW receiver[J]. Journal of Microwaves, 2016, 8: 548–552.

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[5] 祁飞, 杨拥军, 杨志, 等. 基于MEMS技术的三维集成射频收发微系统[J]. 微纳电子技术, 2016, 53(3): 183–187. QI Fei, YANG Yongjun, YANG Zhi, et al. A three-dimensional integrated RF transceiver microsystem based on the MEMS technology[J]. Micronanoelectronic Technology, 2016, 53(3): 183–187.

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 驰 1993年生，硕士，主要研究方向为微波毫米波电路设计。

卢伊伶 1982年生，高级工程师，主要研究方向为微波毫米波电路设计。

祝大龙 1980年生，研究员，主要从事微波、毫米波太赫兹系统的研究。

刘德喜 1973年生，研究员，主要从事微波、毫米波太赫兹系统的研究。

2018-11-23

2019-05-16

Email:ycyk704@163.com `

TEL:010-68382327 010-68382557