[[alternative]]Low cost design and realize of multi mode and dual band RF frond-end module for IEEE 802.11a/b/g/n

碩士[[abstract]]本論文利用Sip(System-In-Package)的封裝方式設計一多模雙頻射頻前端低成本模組(FEM)，其目標在達成縮小化的目且符合射頻性能的要求，以因應目前攜帶移動式產品的發展趨勢。 從PCMCIA至Mini PCI，再至PCI-e的介面演進過程，使其在電路板面積有嚴苛的限制，但其效能要求並不因此而降低，故模組化的設計變成了最主要的解決/整合模式。 IEEE 802.11n下的多通道輸出、多通道輸入(MIMO)的系統架構，已成現階段大量佔用電路板面積的最主要因素，經由射頻前端模組化（FEM）的設計概念就可解決此一問題。 本論文設計的前端射頻模組，其最終體積為6x5x1.4mm³，工作頻段為ISM Bands 2GHz/5GHz，模組內包含了低雜訊放大器、功率放大器、射頻切換器、匹配電路以及濾波器等射頻前端元件及電路。 本研究的Sip封裝之射頻模組流程，可以大大減少設計開發時間以及開發成本，且其開發門檻上比一般全積體電路式的開發門檻要小很多。本論文利用圖表以及流程圖來詳細描述以Sip封裝進行的射頻前端模組設計。[[abstract]]In this thesis, Sip (System-In-Package) packaging is employed to design a low-cost multi-mode dual-band RF front-end module (FEM), to reach its goal of size-reducing and meet the RF performance requirements, in response to the trends of the current mobile products. For the evolution of the PC interface, from the specification of PCMCIA to Mini PCI, then to PCI-e, its performance does not require any less, though the circuit board area is of strict limit, for which the modular design is an important and consolidation solution. In facts, the multi-channel output and the multi-channel input (MIMO) system architecture of IEEE 802.11n has become the most important factor of occupying a large circuit board area, which can be resolved through the design concept of RF front-end module (FEM). The achieved volume of the front-end RF module implemented in this thesis is about 6x5x1.4mm³. In addition, the working frequency range includes ISM 2GHz/5GHz bands. The module contains RF front-end components and circuitry such as the low noise amplifier, power amplifier, RF switch, RF matching circuits and filters, etc. The Sip packaging process for the RF module, studied is this thesis, can greatly reduce the time and costs for the design and development. Furthermore, the thresholds of its design/development are much smaller than those based on the full integrated circuit type. In this thesis, charts and flow charts are utilized to describe the details of the design of RF front-end module based the Sip packaging process.[[tableofcontents]]目錄 1. 序論………………………………………………………………..1 1.1 簡介…………………………………………………………...1 1.2 研究動機……………………………………………………...1 1.3 論文架構……………………………………………………...4 2. IEEE802.11 介紹……………………………………………….….5 2.1 IEEE 802.11 的定義………………………………………5 2.2 IEEE 802.11b/g 的定義…………………………………..6 2.3 IEEE 802.11a 的定義…………………………………….6 2.4 IEEE 802.11 n 定義……………….……………………...8 2.5 IEEE 802.11 a/b/g/n 性能比較…………………….….….9 3. 射頻模組電路……………………………………………….….…10 3.1 系統電路圖…………………………………………..….10 3.2 功率放大器(Power Amplifier)電路…………………..…11 3.2.1 功率放大器介紹………………………………….….13 3.2.2 錯誤向量幅度(EVM)……………………………..….14 3.2.3 功率放大器之線性度……………………………..….16 3.2.4 功率放大器之其他電性規格…………………….…..17 3.3 低雜訊放大器(Low Noise Amplifier)電路…...…………18 3.4 射頻切換器(RF Switch)電路…...………………….…….21 4. 印刷電路板設計以及佈局…………………………………………23 4.1 微帶線的基本觀念………………………………………….24 4.2 接地層的觀念解析………………………………………….26 4.3 印刷電路板層面解說……………………………………….27 4.4 零件佈局解說……………………………………………….31 5. 後製封裝……………………………………………………………32 5.1 射頻封裝簡介…………………………………………….34 VI 5.2 射頻封裝排版…………………………………………….35 5.3 射頻封裝流程……………………………………………….……36 6. 量測結果……………………………………………………………39 6.1 S-參數量測…………………………………………………40 6.2 射頻模組S 參數測量表示….……………………….…….41 6.2.1 2GHz 頻段發射端S 參數…………………………42 6.2.2 5GHz 頻段發射端S 參數…………………………43 6.2.3 2GHz 頻段接收端S 參數…………………………44 6.2.4 5GHz 頻段接收端S 參數………….…..…………45 6.3 FEM 效能量測……………………………………..…….46 7. 結論………………………………………………………….……...50 8. 參考文獻…………………………………………………….……...52 圖目錄 圖 1.1 一般架構的MIMO Radio 配置………………………………3 圖 1.2 FEM MIMO Radio 配置………………………………………3 圖2.1 一般傳統的無線網路傳輸方式例如802.11a/b/g……………...8 圖2.2 MIMO 的無線網路傳輸方式例如802.11n 或WiMAX……..8 圖2.3 以AP 為中心各種不同模態可支援的使用範圍……………...9 圖3.1 射頻模組電路架構圖…………………………………………10 圖3.2 5GHz 功率放大器的電路示意圖…………………………..12 圖3.3 2GHz 功率放大器的電路結構……………………………..12 圖3.4 用來定義EVM 的測量元素……………………………..…15 圖3.5(a) Pout(dBm) VS EVM(%)…………………………….…….16 圖3.5(b) 實驗設備示意圖…….…………………………….…….16 圖3.6 寬頻低雜訊放大器電路………………………………….…18 圖 3.7 一多級放大器的各級雜訊指數之示意圖……………….…19 圖 3.8 雜訊指數小並且良好示意圖…………………………….…20 圖 3.9 雜訊指數大並且不良示意圖…………………………….…20 圖 3.10 射頻切換器的示意圖………………………………..….…21 圖4.1 射頻模組電路板的堆疊剖面圖……………………….……23 圖4.2 微帶線結構示意圖……………………………………….…24 VIII 圖4.3 FR-4 印刷電路板上的微帶線阻配試算…………………25 圖4.4 在FR-4 印刷電路板上的CPW 阻抗試算…………………….25 圖4.5 射頻模組零件層佈局………………………………………….27 圖4.6 射頻模組第二層地層佈局…………………………………….28 圖4.7 射頻模組第三層電源層佈局………………………………….29 圖4.8 射頻模組第四層背版層佈局………………………………….30 圖4.9 以日商太陽誘電產品為例的0201尺寸圖……………………..31 圖4.10 射頻模組的零件層佈局實體圖…………………………...….32 圖5.1 以FR-4 為基版的射頻模組封裝圖…………………………...34 圖5.2 射頻封裝電路板排版方式……………………………………...35 圖5.3 射頻模組封裝製作流程示意圖………………………….……..36 圖5.4 一般IC 封裝的流程示意圖…………………………………….37 圖5.5 為封裝Pin 腳的比較……………………………………………38 圖6.1 雙埠網路測量的四個參數……………………………………..40 圖 6.2 射頻模組測試版……………..……………………………….41 圖 6.3 2GHz 功率放大器之S 參數…………………………………42 圖 6.4 5GHz 功率放大器之S 參數…………………………………43 圖 6.5 2GHz 低雜訊放大器之S 參數………………………………44 圖 6.6 5GHz 低雜訊放大器之S 參數………………………………45 IX 圖 6.7 Litepoint nXn 測試機………………………………………...46 圖 6.8 Litepoint nXn 的WLAN 特性測試畫面…………..………..48 圖 6.9 Frequency VS Output power………………………………….49 圖 6.10 Output Power VS EVM… …………………………………..49 表目錄 表2.1 IEEE 802.11a/b/g/n 的比較表……………………………...9 表3.1 5GHz Power Amplifier 特性表…………………………….17 表3.2 射頻切換器邏輯電位控制表………………………………22 表6.1 FEM 在各頻段的測試結果………………………………..48[[note]]學號: 796440146, 學年度: 9