第0章
绪论

1. 集成化技术概述

随着智能移动终端的更新升级，其内部射频毫米波模组变得日益复杂。为了同时保证移动终端的便携性与续航时间，在保证多样化模拟功能的前提下，留给射频器件与芯片的设计空间越来越有限。因此，射频器件与芯片的小型化高性能研究对于未来无线通信的发展具有十分重要的意义。

目前，包括表面贴装器件（Surface Mounted Devices，SMD）、低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）、薄膜集成无源器件（Thin Film Integrated Passive Devices，TFIPD）在内的多种集成化技术都已被广泛用于射频芯片的设计与制造。其中：SMD技术的生产成本低、制造难度小，但工艺精度有限，且实现的电路尺寸相对较大；LTCC技术属于厚膜加工工艺，由于采用多层结构，给基板带来了翘曲与裂纹的风险；CMOS技术主要用于有源芯片的实现；而TFIPD技术是一种构造无源微波毫米波芯片的专门化半导体加工工艺，在砷化镓（GaAs）、高阻硅等薄膜衬底材料上采用沉积的方式生长金属层，可以实现微米级工艺精度，能够为芯片内部版图设计提供精细的间距特性和良好的容差控制，且与其他常用技术相比，TFIPD技术在提升性能指标，提高设计灵活性、集成度、兼容性方面也有较大的优势。因此，本书重点关注采用TFIPD技术的微波毫米波芯片设计。

2. 微波毫米波芯片概述

微波毫米波器件与芯片是射频电路与模组中的核心组成部分，具有不可撼动的地位。其中，微波毫米波有源芯片得到广泛关注；而在多频多模智能移动终端中，微波毫米波无源芯片占据空间比较大，其超小型化高性能基础研究显得尤为重要。目前，常用的微波毫米波无源芯片主要包括滤波器、耦合器、移相器、双（多）工器、功率分配器、巴伦等，它对一路或多路输入射频信号完成特定功能后，再以一路或多路射频信号的形式进行输出。例如，滤波器是将输入射频信号中不需要的特定频率信号衰减掉，而实现所需要频率信号的低损耗传输，完成特定频谱选择功能的；移相器是对输入射频信号进行相位调整，输出指定相位差的射频信号，完成特定频谱相位控制功能的；双（多）工器是将不同频率的射频信号分配到不同分路的，可实现信号的分配或合路，完成不同频率信号双（多）工功能；功率分配器是将一路输入射频信号以相等或不相等的方式分成两路或多路进行输出的，也可将其反过来作为合路器使用，将两路或者多路射频信号合成一路，完成信号幅度的调整功能；巴伦是在平衡电路和不平衡电路之间完成信号类型转换功能的[1-3]。

本书以基于TFIPD技术的平衡滤波器、微带滤波器、吸收型滤波器、功率分配器和巴伦5种代表性微波毫米波无源芯片为例，阐述其从理论、设计、仿真、优化到流片测试的完整过程。本书用到的仿真软件为ADS（Advanced Design System），详细展示了如何使用ADS仿真软件建立、仿真并优化微波毫米波无源芯片的理想参数仿真模型和相应的全波电磁仿真模型，以达到预期的设计性能指标，最后对完成流片的芯片进行实测并给出测试结果，以验证设计理论和仿真结果。此外，本书还介绍了使用Origin软件完成数据绘图的方法，其过程简单易学，绘制的图形简洁美观，可大大提高科研人员或工程师撰写优秀学术论文和专业项目总结的水平。

3. 软件简介

【ADS简介】ADS软件是安捷伦（Agilent）公司早期推出的电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）软件，它可以完成器件级、电路级甚至系统级的时域和频域仿真、数/模混合仿真、线性和非线性仿真等。该软件基于矩量法（Method of Moment，MoM）对第三维度进行简化的2.5D电磁场仿真器Momentum，非常适合多层PCB、无源器件和毫米波集成电路等在第三维度上均匀变化的结构仿真，仿真速度很快，还能保证较高的仿真精度。另外，软件中基于有限元算法（Finite Element Method，FEM）的3D电磁场仿真器FEM，也可以仿真天线等在第三维度上非均匀延展的结构。目前，ADS软件因其强大的仿真功能，成为学术界和工业界备受欢迎、应用极为广泛的射频EDA软件。

本书详细介绍了如何使用ADS软件仿真、优化以平衡滤波器、微带滤波器、吸收型滤波器、功率分配器和巴伦为代表的微波毫米波芯片的理想参数仿真模型和相应的全波电磁仿真模型，并演示如何查看这些微波毫米波无源芯片的S参数幅度和相位等信息，此外还展示了使用ADS的LineCalc工具计算分布参数电路实际物理尺寸的方法和步骤。本书使用的ADS软件版本为ADS 2020。若需了解更多关于ADS软件的详细信息，请参阅参考文献[4-7]。

【Origin简介】Origin软件是由美国OriginLab公司研发的一个科学函数绘图软件，其十分简洁的操作界面使得科研人员或工程师可以可视化地进行二维、三维或多图层等图形的绘制。该软件支持多种格式的数据导入，包括ASCII、Excel、NI TDM等，同时图形输出格式也多种多样（如JPEG、GIF、EPS、TIFF等）。本书在第5章以巴伦的仿真和测试结果为例，介绍了Origin软件从导入数据、处理数据、绘图美化到图形输出的详细绘图步骤，所使用的Origin软件版本为Origin 2019b。关于Origin更多详细的信息请参考文献[8，9]。

4. 本书安排

本书的特色是实现了基于TFIPD技术的微波毫米波芯片从设计理论分析到使用ADS软件进行仿真、优化再到流片测试的全过程，并具体以平衡带通滤波器、毫米波微带带通滤波器、输入吸收型带阻滤波器、阻抗变换功率分配器、带通滤波Marchand巴伦为例，详细展示了5个颇具代表性的无源芯片的完整设计实现流程。本书介绍的案例均来源于作者课题组发表的学术论文和申请的发明专利，所有案例的其他细节可参考相应的学术论文与发明专利全文。

本书作为一本理论基础与工程实践紧密结合的参考书，不仅提供了原始创新想法，具有较高水平学术价值，而且注重工程实现和实际应用，具备重要实践指导意义。希望读者通过对本书的认真学习和细心模仿，理解并掌握微波毫米波滤波器、功率分配器和巴伦等无源芯片的基本概念、性能指标和理论设计过程，熟悉微波毫米波芯片从设计、仿真、优化到流片测试的完整过程，为以后深入研究、设计创新和独立完成芯片领域工程项目奠定坚实基础；也盼望通过本书的引导，能够消除读者对微波毫米波芯片领域的畏惧，使读者产生兴趣，有志向在该领域取得新成果，从而推动射频芯片行业的蓬勃发展。